evaluación de procedimientos de soldadura para

EVALUACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA PARA
REVESTIMIENTOS DUROS APLICADOS POR EL PROCESO FCAW
CON TRANSFERENCIA METÁLICA PULSADA
Vicente Ignoto
Universidad Central de Venezuela (UCV), Facultad de Ingeniería, Centro Venezolano de Soldadura
(CVS), Caracas, Venezuela. Correo electrónico: [email protected]
Luis A. Baldomir
Universidad Central de Venezuela (UCV), Facultad de Ingeniería, Centro Venezolano de Soldadura
(CVS), Caracas, Venezuela. Correo electrónico: [email protected]
Resumen. Este trabajo tiene por finalidad predecir los parámetros de soldadura en el proceso
FCAW empleando transferencia metálica pulsada, para revestimientos duros o “hardfacing”,
usando un alambre tubular aplicando la metodología desarrollada por Amin[2] para la obtención
de los parámetros con transferencia metálica pulsada, basándose en los tres criterios contenidos en
la misma. El revestimiento se realiza con los parámetros (IP = 300 A, IB = 50 A, TP = 3.1 ms y TB =
10.7 ms). Los cupones y su calificación se lleva a cabo de acuerdo al código ASME Sección IX y la
Norma AWS B2.1-1998. Todos los ensayos destructivos y no destructivos (dureza, análisis químico,
macrografía, micrografía, inspección visual y líquidos penetrantes) califican según la norma. Esta
técnica de soldadura FCAW-P puede ser utilizada en la aplicación de revestimientos duros sobre
aceros al carbono, especialmente en los casos donde se requiere alta productividad ya que generan
depósitos con buena calidad interna y superficial, a pesar de que este tipo de electrodo presenta
una transferencia metálica bastante compleja y la metodología usada se cumple parcialmente.
Palabras Claves: Transferencia Metálica, FCAW-Pulsado, Revestimientos Duros.
1.
INTRODUCCIÓN
La soldadura con el proceso GMAW empleando corriente pulsada, metodología aplicada por De
Souza et al.[1], tiene actualmente gran aplicación a nivel industrial por su alta productividad y
excelente calidad. Por otra parte, la aplicación de revestimientos duros por soldadura es usada en
procesos de fabricación y recuperación de diversos componentes y equipos metálicos empleados en
los diferentes sectores industriales y agrícolas con el objeto de proporcionar resistencia al desgaste
en su superficie[6-7]. Los serios problemas que presenta la industria con relación al desgaste sobre
los equipos y componentes causan un aumento significativo de los costos de mantenimiento y
reposición, siendo en gran parte evitables dados los beneficios que produce este tipo de proceso de
soldadura y aun siendo usados, se hacen de una forma inadecuada en cuanto al proceso o el material
aplicado. Siguiendo la tendencia de la industria moderna, una mayor utilización de los procesos
automáticos o semiautomáticos puede generar mayor productividad con mejores propiedades y
acabados superficiales[4-5] de superior calidad.
Por estas razones, la sustitución gradual de los electrodos revestidos SMAW por electrodos
tubulares FCAW, es cada vez más seguida por la industria de mantenimiento y fabricación de
piezas de equipos sometidos al desgaste. Por este motivo es importante realizar estudios cuyos
objetivos sean la optimización de los parámetros[3] de soldadura usando electrodos tubulares[6], ya
que estos tienen una marcada influencia sobre la calidad del depósito. La dilución es uno de los
parámetros más importantes a considerar en este procesos “revestimientos duros” la cual influye de
forma determinante sobre la composición química del metal depositado y por lo tanto afecta
significativamente sus propiedades. Por otra parte, el empleo de transferencia metálica por arco
pulsado en lugar de transferencia convencional (no pulsada), permite obtener un mayor control del
aporte calórico y por lo tanto una disminución de la dilución y la zona afectada por el calor “ZAC”
lo cual beneficia la calidad del depósito en un recubrimiento, pero al emplear el método de Amin[2]
y Rajesekaran et al.[3], para determinar los parámetros de soldadura con transferencia metálica
pulsada con énfasis en la transferencia metálica del material de aporte, encontramos dificultad al
intentar determinar el número de gotas por pulso, dado que el alambre es tubular y se comporta
diferente en comparación con el alambre macizo. Recientemente la literatura.[4-6] presenta
información muy limitada para lograr determinar las variables óptimas del proceso FCAW - P, las
cuales son más numerosas con respecto a un proceso de arco convencional ligada a la transferencia
metálica por cortocircuito, globular y rociado. La selección inadecuada de los parámetros causa un
arco inestable.[7-9] traduciéndose en soldaduras de calidad inferior a la requerida por las condiciones
de servicio[11].
El objetivo de este trabajo consiste en la evaluación del procedimiento de soldadura para
revestimientos duros empleando FCAW-Pulsado sin protección gaseosa, a partir de la
determinación de los parámetros (IP, TP, IB y TB)empleando transferencia metálica pulsada,
basándose en el empleo de un método desarrollado originalmente para el proceso de soldadura
GMAW, también conocido como MIG/MAG.
2.
PROCEDIMIENTO Y RESULTADOS EXPERIMENTALES
Para realizar los cupones se emplearon láminas de acero ASTM A36 de 10 mm de espesor y un
alambre tubular autoprotegido para revestimientos duros de 1,6 mm de diámetro, marca LINCOLN
ELECTRIC, denominado LINCORE 55, sin especificación AWS, cuya composición química se
indica en la Tabla 1, el equipo empleado fue una fuente multiproceso con un programa para evaluar
el comportamiento de la corriente y la tensión en el arco durante la soldadura.
Tabla 1. Composición química del material de aporte.
Elemento
%C
%Mn
%Si
%Al
%Mo
%Cr
%S
%P
Material de Aporte
0.45
1.3
0.53
1.4
0.8
5.3
0.004
0.01
El revestimiento se realizó con el proceso FCAW con transferencia metálica pulsada empleando
la metodología desarrollada por Amin y las correcciones hechas por Rajesekaran el cual se basa en
la aplicación de tres criterios para definir los parámetros de pulso (IP, IB, TB, y TP). Posteriormente
se procedió a la realización del cupón de prueba empleando la combinación de parámetros obtenida
por esta metodología para adicionalmente evaluar calidad superficial y penetración. Este cupón se
elaboró con cordones de un solo pase, uno al lado del otro, aplicándolos en una sola dirección y en
posición plana, tal como se indica en la Figura 1.
Figura 1. Esquema del proceso FCAW-P autoprotegido, aplicando un revestimiento duro.
2.1. Determinación de los Parámetros de Pulso
Al aplicar el método de Amin y Rajasekaran al proceso FCWA-P, se considera solo el espesor
de la cáscara metálica del alambre tubular para determinar el volumen de gota “Vd”, en este caso el
volumen de gota corresponde a (Vd = 0,172 mm3) para un espesor de tubo de 0,35 mm y se aplican
los tres criterios establecidos en la metodología de estos investigadores.
2.1.1. Criterio “burnoff”
Este es el primer criterio de la metodológia usada, y para ello se realizaron cordones de
soldadura en modo convencional y pulsado manteniendo la velocidad de alimentación (Va)
proporcional a la velocidad de fusión (Vf) del alambre usando una longitud de arco constante. Para
cada Va se registró el valor de la corriente media (Im) y se realizó una gráfica de (Va vs Im) tal
como se indica en la Figura 2. El punto de corte entre las dos rectas se encuentra a una Va de 1,2
m/min, la cual representa la velocidad mínima de alimentación para obtener una transferencia
pulsada.
Figura 2. Relación de Corriente Media (Im) vs Velocidad de Alimentación (Va) para soldadura
convencional y por arco pulsado (punto de corte entre las rectas ocurre a 1,2 m/min).
Otra consideración necesaria al trabajar con este criterio, es construir una relación funcional que
representa los posibles parámetros del pulso (Ip, Tp, Ib, Tb) pertenecientes a una corriente media
específica (Im), indicada en la ecuación [1].

T
 TC 
.IM −  C − 1.IB
IP = 




 TP
 TP 
[1]
A partir de la ecuación [1] se define la “zona paramétrica” que se representa en la Figura 2,
donde se observa la relación lineal entre la corriente de pico y la corriente de base, para las
diferentes combinaciones. Para la construcción de la zona paramétrica se toma una velocidad
alimentación (Va = 2 m/min) y un volumen de la gota esférico, con r = 0,8 mm (Vd = 0,172 mm3) y
se obtiene un tiempo de ciclo (Tc), a partir de la ecuación [2], de 13.8 ms.
TC =
240.VD
π.d2 .WF
[ 2 ]
La zona paramétrica representada en la Figura 3 presentan la combinación de parámetros de
pulso que proporcionan teóricamente un arco estable.
2.1.2. Criterio de la Transferencia Metálica
Este criterio consiste en establecer una relación de Ip vs. Tp a objeto de transferir un volumen de
gota específico a fin de limitar la zona paramétrica obtenida en el criterio anterior. Para ello es
necesario estudiar el desprendimiento de las gotas fundidas según el análisis del oscilograma de
tensión en el punto donde ocurre un pico, tal como se indica en la Figura 4. En el mencionado
oscilograma también se observa una inestabilidad en el arco eléctrico debido posiblemente a la
acumulación de gotas pequeñas que luego caen por gravedad.
Figura 3. Zona Paramétrica (Va = 2 m/min; IM = 106 A; TC = 13.8 ms).
Figura 4. Oscilosgramas de Tensión (V) y de Corriente (A) para transferencia pulsada en FCAW.
Se observó que debido a la irregularidad de la transferencia metálica pulsada empleando
electrodo tubular se presentan numerosos picos en los oscilogramas en la escala de voltaje (Figura
4) por lo que se hace imposible discriminar los mismos de acuerdo a un número especifico de gotas
por pulso para cada condición usada. Debido a esto no es posible aplicar el criterio de transferencia
metálica y se hace necesario aplicar otros elementos para delimitar la zona paramétrica, entre los
cuales tenemos calidad superficial y morfología de los depósitos, dificultad para remoción de
escoria.
2.1.3. Criterio de Estabilidad del Arco
Este es el último criterio y consiste en la realización de soldaduras con parámetros aleatorios
ubicados dentro de la zona paramétrica y disminuyendo progresivamente la corriente de base (Ib)
hasta observar la extinción del arco. En este caso, la estabilidad del arco se logra con una corriente
de base mínima de (Ib = 20 A).
Posteriormente se procedió a realizar una serie de soldaduras variando los parámetros indicados
de acuerdo a los criterios antes mencionados (Tp, Ip, Tb, Ib) a objeto de limitar la zona paramétrica,
tal como se indica en la Figura 5. La Zona Paramétrica Limitada corresponde a las combinaciones
de parámetros que producen cordones de soldadura de excelente aspecto superficial y calidad. Sin
embargo, estos límites no implican que la combinación de condiciones que se encuentre dentro de
estos intervalos de valores sean los únicos posibles en producir soldaduras de revestimientos duros
satisfactorios.
Figura. 5. Zona Paramétrica limitada.
2.2.
Elaboración del Cupón de Revestimiento Duro
Una vez establecida la zona paramétrica para el aporte de revestimientos duros con el proceso de
soldadura GMAW-P se procedió a realizar una serie de cordones sobre la lámina de acero A-36
cuya combinación de parámetros de soldadura pertenece a la zona paramétrica limitada y que
garantizan una penetración adecuada. Posteriormente los cordones fueron evaluados en función de
su apariencia superficial, penetración y dilución, tal como se indica en la Figura 5. Las
combinaciones de parámetros de soldadura ensayadas dentro de la zona paramétrica limitada se
presentan en la Tabla 2
Figura 5. Corte transversal del depósito indicando la menor penetración y dilución.
Los parámetros de soldadura correspondientes al cordón de menor penetración (TP = 3,1 ms; TB
= 10,7ms; IP = 300A y IB = 50A), (figura 5) fueron tomados con la finalidad de realizar los cupones
de prueba de revestimiento duro, cuyos oscilogramas se muestra en la Figura 4. además de esta
condición de menor penetración presenta, un excelente acabado superficial y un nivel de
salpicadura aceptable.
Tabla 2. Datos de las soldauras efectuadas dentro de la Zona Paramétrica Limitada.
Tp
2,6
3,4
2,8
3,1
3,5
3,5
3,9
4,2
2,9
3,4
4,1
4,6
3,5
3,1
2,7
3,2
3,9
5,4
4,8
3
4,2
5,4
4,2
Tb
11,2
10,4
11
10,7
10,3
10,3
9,9
9,6
10,9
10,4
9,7
9,2
10,3
10,7
11,1
10,6
9,9
8,4
9
10,8
9,6
8,4
9,6
Ip
281
231
285
264
245
245
225
210
300
260
225
200
270
300
305
305
260
200
230
300
290
240
300
Ib
65
65
60
60
60
60
60
60
55
55
55
55
50
50
45
45
45
45
40
30
25
20
20
Im (A)
103
105
104-102
104
106
106
107
106
105
107
106
104 - 109
105
104 - 105
101
102
103 - 102
105
104 - 105
99 - 100
102 - 103
103 - 104
98 - 100
Voltaje (V)
31.7 - 33.8
30.8 - 33.3
27,7 – 29,8
29,7 – 34,6
27,8 – 28,7
27.8 - 28.7
28.3 - 31.9
26.5 -27.8
25.4 – 27.4
24.9 - 26.6
24.6 - 26.3
21.2 - 22.8
26.1 - 27.5
27.5 - 31.4
30.9 - 32.3
32.6 - 33.4
30.1 - 32.5
31.1 – 31.0
28 - 29.7
28.7 - 29.9
29.6 - 31.6
29.6 - 31.8
31.8 - 32.8
2.3. Evaluación de los cupones
Del cupón de prueba se extraen las probetas para ser atacadas y determinar la morfología del
revestimiento a través de las macrografías y la penetración que, junto a la dilución deben ser bajas,
para disminuir la interacción con el material base y así impedir una mayor pérdida de elementos
aleantes contenidos en el material de aporte.
La caracterización de los depósitos se realiza a través de ensayos no destructivos (inspección
visual y líquidos penetrantes), sus resultados satisfactorios se verifican con forma o perfil óptimos
del cordón, las pocas salpicaduras y la facilidad de remoción de la escoria, además de la ausencia de
discontinuidades superficiales tales como socavaduras y grietas. La caracterización destructiva se
realiza con las macrografías del revestimiento para evaluar el perfil del depósito y el porcentaje de
dilución, que en este caso fue igual a 27.9 ± 2.3%. La dilución también se encuentra dentro del
margen de valores reportados por la literatura (10 a 40%).
Se determinó la composición química al recubrimiento depositado, cuyos resultados se indican
en la Tabla 3. Los elementos presentes en el depósito, a excepción del carbono, se encuentran por
debajo de los porcentajes nominales especificados por el fabricante del material de aporte, esto es
debido a la dilución y a las pérdidas de elementos por oxidación, motivado a la inexistencia de una
protección gaseosa externa. Adicionalmente la cantidad de carbono presente en el revestimiento se
encuentra dentro de los valores esperados garantizando la dureza y favoreciendo la formación de la
martensita, característica de estos revestimientos duros.
La dureza resultó ser de 56 ± 3 HRc la cual concuerda con las especificaciones indicadas por el
fabricante del electrodo, por lo tanto, el revestimiento califica según la norma.
Elementos
Revestimiento
Tabla 3.- Análisis químico del revestimiento.
%C
%Mn %Si
%Al
%Mo %Cr
0.45
0.37
0.22
1.26
0.66
1.44
%P
0.003
%S
0.003
Las evaluaciones micrográficas de los depósitos de revestimientos duros indicaron la presencia
de diminutas y abundantes agujas de martensita y la presencia de zona afectada por el calor entre el
depósito y el metal base (MB).
3.- CONCLUSIONES
Los parámetros de arco pulsado en el proceso de soldadura FCAW para revestimientos duros
pueden ser predichos parcialmente aplicando el criterio de Amin.Una combinación de
parámetros del proceso de soldadura FCAW-P que garantizan una adecuada penetración,
dilución y calidad superficial, en la aplicación del recargue duro puede ser: Tp = 3.1ms; Tb =
10.7ms; Ip = 300A; Ib = 50A; Im = 106A y Wf = 2 m/min.La transferencia metálica en un
proceso FCAW-P es sumamente irregular ya que se generan gran cantidad de gotas por pulso de
diferentes tamaños y por lo general menores al diámetro del electrodo.
El proceso FCAW-P permite realizar revestimientos de recargues duros con aceptable acabado
−
superficial (pocas salpicaduras) y cuya calidad interna (composición química, penetración,
dilución, dureza y microestructuras) cumple las especificaciones indicadas por el fabricante y
califican de acuerdo al código ASME y a la norma AWS.
4.- REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
−
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9. W. Wang, S. Lin and J. Jones. Flux Cored Arc Welding: Arc Signal, Processing and Metal
Transfer Characterization Welding. Welding Journal, November 1995. Pág. 369s – 377s.
WELDING PROCEDURES QUALIFICATION FOR HARDFACING USED
FLUX CORED ARC WELDING WITH PULSED METAL TRANSFER
Vicente Ignoto
Universidad Central de Venezuela (UCV), Engineering´s Faculty, Centro Venezolano de Soldadura
(CVS), Caracas, Venezuela. E-mail: [email protected]
Luis A. Baldomir
Universidad Central de Venezuela (UCV), Engineering´s Faculty, Centro Venezolano de Soldadura
(CVS), Caracas, Venezuela. E-mail: [email protected]
Abstract. This work attempts to predict the suitable combination of FCAW pulsed welding
parameters for hardfacing using a theorical approach developed by Amin which is based on
burnoff, droplet detachament and arc stability criteria. Hardfacing was conducted with the
following welding parameters (Ip= 300 A, Ib = 50 A, Tp= 3.1 ms, and Tb= 10.7 ms). Test
specimens and their qualification were made according to the ASME code, section IX and the AWS
B2.1-1998 standard. Each evaluation on the test specimens (hardness, chemical analysis,
micrographs, macrographs, visula inspecction, and liquid penetrant method) met the acceptance
criteria. FCAW with pulsed metal transfer can be used with welding hardfacing process on low
carbon steels, specially when high productivity is required because they produce excelent welding
deposits, in spite of that kind of electrode that has a complex metal transfer and that welding
criteria were partially accomplished.