Determinación de la Relación entre el número

Determinación de la relación
entre el número de ferrita medido por magnetismo
y el calculado gráficamente en depósitos
de soldadura de aceros inoxidables austeníticos
.. .............................................................
~
1
1NTRODUCCIÓN
El contenido de ferrita tiene influencia
Luis Eduardo Garavito Ramírez
manganeso y expresa el contenido de
ferrita en porcenta je, lo cual es
impreciso [Refs. 3 y 4] .
sobre las propiedades del metal de
soldadura de depósitos de aceros
inoxidables austeníticos. Es conocido
que la ferrita reduce la tendencia a la
fisuración del metal de soldadura; su
presencia aumenta la resistencia del
metal de soldadura y puede presentar
un detrimento sobre el comportamiento
del material en ciertos medios
corrosivos. Generalmente disminuye la
tenacidad en servicio criogénico,
como también en servicio a alta
tempe ratura en donde puede
transformar a fase sigma [Refs. 1 y 2].
Se han desarrollado diagramas de
constitución, a través de los cuales
se puede predecir el contenido de
ferrita en el metal de soldadura
util iza ndo su composición química
Ingeniero Me talúrgico de lo
Universidad Libre de Colombia,
Ingeniero
Químico
de
lo
Universidad Nocional de Colombia.
Jefe de Control de Calidad de lo
Empresa Electromonufocturos S.A.
Miembro activo de AWS, del Comité
Técnico de ACOSEND, del Comité
de Normalización de Soldadura del
ICONTEC y del Comité Técnico poro
lo Certificación de Competencias
Laborales SENA. Catedrático de lo
Especialización en Soldadura de lo
Universidad Libre.
[Ref. 3]. En 1949 se pub licó e l
Diagrama de Schaeffler, el cual se ha
utilizado ampliamente para estimar
el contenido de ferrita en metales de
soldadura de aceros inoxidables y
predecir la microestr uctura en
uniones de metales d isímiles. Se han
identificado los siguientes problemas
cuando se utiliza este diagrama: no
tiene en cuenta el nitrógeno como
elemento austenizado r, hace un
tratamiento
inadecuado
del
El Diagrama de Delong se publicó en
197 4 e introdujo algunas mejoras:
involucró el nitrógeno en el cálculo del
níquel equivalente y la escala de NF.
Como limitaciones presenta el manejo
inadecuado del manganeso, el área
limitada respecto al Diagrama de
Schaeffler y la sobreestimación del
contenido de ferrita en materiales con
bastante a leación, como en el caso
del E309.
En 1988 se publicó el Di a grama
WRC- 1988, el cual presenta una
excelente predicción del contenido de
ferrita superando a los anteriores
d iagramas. Se aplica para rangos de
NF de O a 100, para contenidos de
Mn hasta 10%, Mo hasta 3%, N hasta
0.2% y Si hasta 1%. La me jora en la
predicción ha hecho que este
diagrama se haya considerado para
reemplazar el Diagrama de Delong
en el código ASME [Ref. 5].
En 1992, Kotecki and Si ewe rt
propusieron una mod ificación del
Diagrama WRC- 1988, en la cual se
incluye el Cu en el cálculo del níquel
equiva lente, y una extensión para
mejorar la predicción de l NF en
uniones disímiles [Ref. 4].
INVITADO ESPECIAL
/
----~
l . Base experimental
y procedimiento
Tabla 1. Distribución del Número Total de Muestras por Clasificación
y Diámetro (Total de muestras: 96)
¡ Diámetro
Para el desarrollo del presente
traba jo se utilizaron electrodos
revestidos del tipo E308L, E308H,
E309L, E309Mol, E3l O, E316L,
E3l 7 y E34 7, clasificaciones de
acuerdo con la especificación AWS
A5.4-92 [Ref. 1]. Estas clasificaciones
de electrodos corresponden a los de
mayor utilización en el mercado. Los
valores de Número de Ferrita
esperados para este tipo de
electrodos, son inferiores a 20
[Ref. 6].
Clasificación 1 Número de
Muestras
En total se obtuvieron 96 muestras
de las anteriores clasificaciones, de
diferentes lotes y diámetros. Con
cada muestra se realizó una probeta
para la determinación del Número
de Ferrita, los cuales se prepararon
de acuerdo con lo establecido en
la especificación AWS A5.4-92
apéndice A6. Uno vez preparados,
se procedió o determinar el Número
de Ferrita con un instrumento
calibrado de acuerdo con lo
establecido en la especificación
AWS A4.2 - 97 [Ref. 7]. El equipo
utilizado fue un "Inspector Goge"
ca librado con patrones de
referencia primarios SRM l364b y
l364b del NIST (National lnstitute
of Standards and Technology,
Boulder, Co.).
Tabla 2. Distribución de los valores de número de ferrita obtenidos por
En la superficie de cado probeta
sobre lo cua l se determinó el
Número de Ferrita, se realizó el
respectivo análisis químico mediante
un espectrómetro emisión por
chispo, del tipo "SpectroLAB" el cual
previamente se calibró y verificó con
patrones de referencia NIST SRM
1155 y SRM 1172 . Con el análisis
químico obtenido se determinó el
1 Diámetro 1 Diámetro 1 Diámetro
2.4
3.2
4.0
4.8
308H
8
1
3
4
o
308L
41
6
20
12
3
309L
19
1
9
7
2
309Mol
3
3
o
310
7
o
o
3
4
o
o
316L
11
2
5
2
2
317
2
1
1
o
3
2
aO
47
32
7
347
5
o
o
Total
96
10
medición directa sobre la probeta (Total 96)
Clasificación
J
Rango de Número de Ferrita. Obte_nido
E308L
5 - lo
E308H
3- 12
E309L
1 E309Mol
7 - 17
o - 0.7
E310
E316L
1 E31 7
3 - lO
E347
4 - 10
Total de Rango
o - 17
Tabla 3. Rango de valores de la composición química obtenida
por elemento
Elemento
'
;
Rango Obtenido (% en peso)
e
0.01 - 0.11
Mn
1.1 - 2.0
Si
0.2 - 0.8
Ni
9.5 - 21
Cr
18.5
Mo
0.04 - 3.1
Nb
0.01 - 0.90
N
0.03 - 0.06
26
::
..
Figura 7. Histograma de frecuencias de los errores
los resultados y los errores esperados
(N F Medido - NF WRC 1992) (todos los datos)
para límites de confianza del 95%.
La correlación se establece utilizando
como variable independiente el Número
40
de Ferrita calculado gráficamente a
través de la composición qu ímica (X),
Mean
y como var iable dependiente el
r-
30
-2sp
20
1
P"""'
.....-
1
1
1
1
10
r+-
...-
··.
1
1
1
o
1
1
-3
-2
Número de Fe rrita obtenido por
+2sp
1
1
1
1
1
1
-1
o
li
1
medición directa sobre la probeta (Y).
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
2. Resultados y Discusión
2 .1
D iagramas de Frecuencia
n-
2
Con los valores de error encontrados
4
3
(NF Medido - NF WRC1992), se
rea lizan diagramas de frecue ncia de
Número de Ferrita a través del
través de la medición directa sobre
diagrama d e const itución para
la pro beta, se restó el respectivo
valor de Número de Ferrita obtenido
depósitos de soldadura WRC 1992
[Ref. 4].
La distribución del número de muestras
por clasificación de los electrodos y
por los diámetros se muestra en la
Tabla 1 . De las referencias y diámetros
de mayor utilización en el mercado,
se obtuvieron mayor cantidad de
muestras. El número de muestras
todos los datos y estratificados por
clasificaciones; con el promedio se
determina el centramiento y con la
desviación estándar se determina la
a través de la composición quím ica
utilizando el Diagrama WRC 1992.
dispersión. Se toma como referencia
el valor de + / - 28 (límite de confianza
Con las diferencias obtenidas (errores),
del 95%). Los d iagramas se muestran
en las Figuras 1, 2, 3, 4 y 5 .
se realizaron d iag ramas de frecuencia,
tanto de todos los valores como por
clasificaciones . Posteriormente se
El 99% de los datos se encuentran en
rea lizaron regresiones lineales simples
el rango de+/- 2 .2 unidades; el valor
para establecer la correlación ent re
promedio de los datos está ligeramente
propuestas para el presente traba jo
equivalen al14% de las muestras que
se trabajaron pa ra obtener el
Diagrama WRC 1988 [Ref. 5] con
NF < 18, y al 50% de las muestras del
trabajo de verificación del Diagrama
WRC 1988 real izado por Kotecki [Ref.
8]. Los va lores de Número de Ferrita
obtenidos por medición directa sobre
la probeta y su dist ribuc i ón se
muestran en la Tabla 2 , y el rango de
va lores d e la com posición química
obtenido por elemento en la Tabla 3.
Con los datos obtenidos se uti lizaron
Figura 2. Histograma de f recuencias de los errores (NF Medido
- NF WRC 1992). Clasificaciones 308L y 308H (49 datos)
Mean
20
1
1
r-•
-2sp
15
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
1
10
5
representa ciones estadísticas paro
establecer las correla ciones entre
los datos y su dispers ión . Del valor
de Número de Ferrita obtenido a
o
-3
,.....
+2sp
,.....
...1
1
1
r--
1
1
-2
-1
o
h
2
3
4
_,_,_.+__fN_v_tr._A_o_o_E_sP_E_c_tA_L_ _ _ ___.,/
desplazado hacia el valor negativo de
Figura 3. Histograma de frecuencias de los errores (NF Medido
cero (Fig. 1). Estos datos presentan uno
menor desviación que los valores
- NF WRC 1992). Clasificaciones 309L (19 datos)
encontrados poro NF < 18 en lo
Referencia 1 (el 85% de los datos se
encontraron en el rango de + /- 2.5
unidades). Los análisis químicos
realizados o través del espectrómetro de
emisión presentan valores consistentes
y lo predicción del NF o través del
método gráfico presenta dispersiones
y desviaciones relativamente bajas. El
histograma de frecuencias presenta
uno formo normal con uno muy boja
desviación (buen centramiento).
Mean
-2sp
contienen molibdeno (Fig. 4), el cual
presenta el menor valor de dispersión
pero con la mayor desviación con
respecto al cero. A pesar de esto, los
datos de los clasificaciones con
molibdeno se encuentran en el rango
de -0 a + 2. El histograma para las
clasificaciones 31 O y 34 7, presenta
también un bajo valor de dispersión;
esto se puede deber a que los datos
de 31 O presentan valores muy cercanos
o cero y no negativos.
Los valores de error poro los
clasificaciones 308 (L y H), 309L y
oleados con molibdeno presentan
valores de error de NF menores y con
un mayor número de muestras dentro
de este rango, que los encontrados
para estos clasificaciones en estudios
anteriores [Ref. 5]. Este comportamiento
se esperaba, de acuerdo con lo
observado en el histograma de todos
los datos (Fig. 1).
Respecto al comportamiento de los
valores obtenidos con re lación al
diámetro, no se observo ningún
comportamiento diferente o los obtenidos
+2sp
...--
1
..---
4
2
o
Lo estratificación de los datos por
clasificaciones muestra un valor bajo
para los referencias del tipo 308 (L y
H), no muy lejano de las otras
clasificaciones, excepto para los que
,_
6
-3
-2
o
-1
2
3
4
en los histogramas mostrados, por lo
que el diámetro del electrodo no
sobre lo probeta y el NF
determinado con el Diagrama WRC
muestra influencia en la determinación
del NF por el método gráfico poro
1992 [Ref. 9] . Al igual que con los
histogramas,
se
real izaron
una mismo o diferente clasificación.
para todos los datos y pa ra cada
una
de
los clasificaciones
estratificadas. En la Tabla 5 se
2 .2 . Relación de los datos.
Regresión lineal
presentan los datos de los
parámetros
de
correlació n
Se realizaron regresiones simples
entre el NF medido directamente
encontrados para los diferen tes
análisis realizados.
Figura 4. Histograma de frecuencias de los errores (NF Medido
- N F WRC 1992). Clasificaciones 309MoL, 316L y 31 7 ( 16 datos)
Mean
12
10
-2sp
+2sp
8
6
4
2
o
-3
-2
-1
o
2
3
4
Figura 5 . Histograma de frecuencias de los errores (NF M edido
Como se puede observar en la Tabla
- N F WRC 1992). C lasificaciones 310 y 347 (12 datos)
5, al estratificar cada una de los
clasificaciones 308 (L y H) y 309L y
comparar los resultados de residuales
y datos estadísticos contra los valores
obtenidos de todos los dato s, se
observa un aumento en e l error
estimado y uno d is minución d el
coeficiente de correlación (r), el cual
posa de excelente a aceptable en estas
dos clasificaciones [Ref. 10). Po ro las
clasificaciones aleadas con molibdeno
se observa uno considerable disminución
en el error estimado y una correlación
casi perfecta, efecto que se pierde
cuando esta clasificación se involucra
dentro de todos los datos. De acuerdo
con lo anterior, se sugiere tener dos
correl a ciones : u na para las
c las ificac ion es con a leació n de
molibdeno (309Mol , 316L, 3 17) y
otra poro las clasificaciones 308 (L y
H), 309L, 3 10 y 347, utilizando en
esta última todos los datos.
Mean
8
+2sp
-2sp
6
4
2
o
-2
-3
o
-1
2
3
4
Tabla 4 . Valores Estadísticos de los Histogramas
Estratificación
1
Figuro
Promedio
1
Desviación
Estándar
+1- 2 S
límite
Todos
1
0.38
1.22
2 .44
308L - 308H
2
0. 10
1.34
2 .68
309L
3
0.52
1.30
2 .60
309Mol -3 16L -31 7
4
1.12
0 .61
1.22
310-347
5
0.33
0.77
1.54
Tabla 5. Valores de Reg resión Lineal Simple
Y = A+ B .X
(Y= NF medido y X= NF diagrama WRC 1992)
Clasificaciones
! Coeficiente
A
·¡
Coeficiente 1 Error
B
estándar
estimado
Coef.
Correlación
{r)
Límite de
confianza
95% {+ / -2 o)
Todos los datos
0.671
0.963
1.17
0.95
2.3
Todos los dotas
0.671
0.962
1. 17
0.95
2.3
1.73
0.79
1.16
0.87
2.3
309L
1.78
0.88
1.26
0.81
2.5
309Mol -316L -31 7
0.85
1.04
0.60
0.99
1.2
0.124
1.06
0.86
0.96
1.7
sin Molibdeno
308L-308H
310-347
1
CoNCLUSIONES
Se ha n encontrado dos relaciones
para determ inar el NF medido por
magnet ismo a través del NF
calculado con el diagrama WRC
1992, utilizando la técnico de emisión
por chispa para la determinación del
análisis químico.
Se aplican para depósitos de metal
de soldadura en los cuales se espera
un NF inferior o 20 con los rangos de
composición química establecidos.
Los valores de error estimado de los
corre laciones y para un lím ite de
confianza del 95%, están por debajo
de los repo rtados en estudios
anteriores y corresponden a: +/- 1.2
N F para las clasificaciones aleadas
con molibdeno y o +/- 2.3 NF paro
los otros clasificaciones.
INVITADO ESPECIAL
/
--------Figuro
6. Regresión Lineal para todos los Datos y utilizable para
las clasificaciones 308(L y H), 309L, 31 O y 34 7
Microestructure and Properties",
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WRC-1988 Diagram", Welding
Journal, pp. 171s-178s, may
1992.
15
10
5
.•
..·
......
o
..
o
4
2
Linear:
6
10
8
12
Y= .6712136 + .962698 • X
14
16
Linear
95%C.I.
Figuro 7. Regresión Lineal para las clasificaciones aleadas
con Molibdeno (309MoL, 3 16L y 3 17)
10
.•-····+
+
5
-!:·············
...
2
Linear:
4
6
Y
= .8491673
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15
..·
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Steel Weld Metal", Welding
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8
10
12
+ 1.042886 • X
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14
16
Linear
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95%C.I.
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