Evaluación de procedimientos de soldadura para revestimientos

Evaluación de procedimientos de soldadura para revestimientos
duros aplicados por el Proceso FCAW con transferencia metálica
pulsada
LUIS A. BALDOMIR, ISIS E. PLAZA R., VICENTE IGNOTO
Universidad Central de Venezuela (UCV), Facultad de Ingeniería, Centro Venezolano de
Soldadura (CVS), Caracas, Venezuela. Correos electrónicos: [email protected];
[email protected], [email protected]
RESUMEN
Este trabajo tiene por finalidad la evaluación de procedimientos de soldadura para
revestimientos duros o «hardfacing» obtenidos por el proceso FCAW con transferencia
metálica pulsada empleando la metodología desarrollada por Amin (1983) para la
determinación de los parámetros de pulso basada en la aplicación de tres criterios
(«burnoff», transferencia metálica y limitación de la corriente base). El revestimiento
definitivo se realizó con los parámetros Ip = 300 A, Ib = 50 A, Tp = 3,1 ms y Tb = 10,7 ms.
La fabricación y calificación de los cupones se llevó a cabo de acuerdo al Código ASME,
Sección IX y la Norma AWS B2.1-1998, realizándose adicionalmente una evaluación
metalográfica. Todos los ensayos no destructivos y destructivos (inspección visual, líquidos
penetrantes, dureza, análisis químico y macrografía) calificaron según las normas. La
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 de
predicción de parámetros de pulso usada se cumple parcialmente.
Palabras Claves: Transferencia Metálica Pulsada, FCAW-Pulsado, Revestimientos Duros.
PROCEDURE EVALUATION FOR HARDFACING BY PULSED FLUX CORED ARC
WELDING
ABSTRACT
This work evaluates welding procedures for hardfacing done by Pulsed FCAW using a
theoretical approach developed by Amin (1983) to predict the suitable combination of
pulsed parameters which is based on burnoff, droplet detachment and arc stability criteria.
Definite hardfacing was carried out 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 ASME Code, Section IX and AWS B2.1-1998 Standard. Additionally, a
macrographic evaluation was conducted. The destructive and non-destructive test results
(visual and liquid penetrant inspection, hardness, chemical analysis and macrography) met
the acceptance criteria. Pulsed FCAW can be used for the hardfacing of low carbon steels,
especially when high productivity and good quality is required, in spite of the tubular
electrode complex metal transfer and the partial accomplishment of Amin’ s criteria.
Key Words: Pulsed Metal Transfer, Pulsed-FCAW, Hardfacing.
Recibido: abril de 2003 Recibido en forma final revisado: octubre de 2005
1.
INTRODUCCIÓN
Los serios problemas de desgaste que se presentan en componentes y equipos metálicos
empleados en diferentes sectores industriales y agrícolas generan un aumento significativo
en los costos de mantenimiento y reposición, siendo en gran parte evitables dados los
beneficios que produce la aplicación de revestimientos duros por soldadura. Este tipo de
procedimiento se emplea comúnmente en procesos de fabricación y recuperación de
diversos componentes y equipos con el objeto de proporcionar resistencia al desgaste
superficial (Kim, 1993 y Asta, 2000). Siguiendo la tendencia de la industria moderna, la
utilización de procesos de soldadura automáticos o semiautomáticos eleva la productividad y
mejora las propiedades de la unión con acabados superficiales de calidad superior (Davis,
1995 y Wang, 1995). Por estas razones, la sustitución gradual de los electrodos revestidos
(SMAW) por electrodos tubulares
2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL
Para fabricar los cupones soldados se utilizaron láminas de acero ASTM A36 de 10 mm de
espesor como material base y como material de aporte se empleó un alambre tubular
autoprotegido para revestimientos duros de 1,6 mm de diámetro, marca LINCOLN
ELECTRIC, denominado LINCORE 55®, sin especificación AWS. La soldadura fue llevada a
cabo mediante una fuente multiproceso con un programa que permite evaluar el
comportamiento de la corriente y la tensión del arco durante el proceso.
2.1. Determinación de los Parámetros de Pulso
El revestimiento se realizó con el proceso FCAW con transferencia metálica pulsada
empleando la metodología
desarrollada por Amin y las correcciones hechas por Rajasekaran, la cual se basa en la
aplicación de tres criterios para definir los parámetros de pulso (Ip, Ib, Tb, y Tp).
Sin embargo, a diferencia del método original, en el cual se emplea protección gaseosa y un
volumen de gota con radio equivalente al de un alambre macizo, no se utilizó gas de
protección, y para determinar el volumen de gota (Vg) se consideró exclusivamente el
espesor de la cáscara metálica del alambre tubular.
2.1.1. Criterio «burnoff»
Se realizaron pruebas de soldadura con transferencia metálica convencional y pulsada
manteniendo la velocidad de alimentación (Va) proporcional a la velocidad de fusión (Vf) del
alambre y longitud de arco constante. Se registraron y graficaron los valores de la corriente
media (Im) vs Va para cada modo de transferencia. Se determinaron los valores de Im y Va
en el punto de intersección de ambas gráficas con el objeto de fijar el valor de Va a utilizar
en la zona paramétrica. De acuerdo al método, la zona paramétrica inicial se definió
mediante la ecuación (1), la cual representa la relación funcional que corresponde a los
posibles parámetros del pulso (Ip, Tp, Ib, Tb) pertenecientes a una corriente media
específica
(Im).
FCAW es cada vez más común en la industria de mantenimiento y fabricación de piezas de
equipos
sometidos
a desgaste. Por otra parte, el proceso automatizado GMAW empleando corriente pulsada
(De Souza et al., 1998) posee actualmente gran aplicación en el ámbito industrial por su
alta
productividad
y
excelente
calidad.
Uno de los parámetros más importantes a considerar en la fabricación de revestimientos
duros es la dilución, dada su influencia determinante sobre la composición química del metal
depositado y sus propiedades. Con respecto a esto, 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)
beneficiando
así
la
calidad
del
revestimiento.
La realización de estudios cuyo objetivo sea la optimizaciónde los parámetros de soldadura
usando electrodos tubulares tiene una marcada influencia sobre la calidad final del depósito
(Davis, 1995 y Da Souza, 1998) ya que no siempre la aplicación de revestimientos se
realiza
adecuadamente
en
cuanto
al
proceso
o
el
material
aplicado.
La información disponible para la determinación de las variables óptimas del proceso FCAWP,
las
cuales
son
más
numerosas con respecto a un proceso de arco convencional, es muy limitada (Asta, 2000).
Por otra parte, una selección inadecuada de los parámetros produce un arco inestable,
traduciéndose en soldaduras de calidad inferior a la requerida por las condiciones de servicio
(Asta,
2000
y
Wang,
1995).
Amin (1983) y Rajasekaran et al. (1998) desarrollaron un método para la determinación de
los parámetros de pulso de soldadura GMAW-P basándose en tres criterios diferentes:
Criterio
«burnoff»
(velocidad
de
alimentación,
Va = velocidad de fusión, Vf), Transferencia Metálica (transferencia de una gota por pulso) y
Estabilidad
Eléctrico
del
(corriente
Arco
base
mínima).
El objetivo de este trabajo consiste en la evaluación del procedimiento de soldadura para
revestimientos
duros
mediante el proceso FCAW-Pulsado sin protección gaseosa, a partir de la determinación de
los parámetros (Ip, Tp, Ib y Tb) empleando la metodología de Amin y Rajasekaran et al. Sin
embargo, debe tomarse en cuenta que al intentar aplicar dicho método en soldadura FCAW
se presentan dificultades para establecer el número de gotas desprendidas por pulso debido
a la diferencia en el comportamiento del metal fundido durante la transferencia metálica del
alambre tubular con respecto al alambre macizo.
donde Vg corresponde al volumen de gota.
2.1.2.
Criterio
de
la
Transferencia
Metálica
Este criterio consiste en establecer una relación entre Ip y Tp para delimitar la zona
paramétrica inicial
garantizando transferencia metálica tipo spray
o rociado y
el
desprendimiento de al menos una gota por pulso. Con esta finalidad se realizaron pruebas
de soldadura y se estudió el comportamiento de las gotas fundidas durante su
desprendimiento mediante la evaluación de los oscilogramas de tensión. Los resultados
obtenidos a partir de los mismos impidieron la aplicación de este criterio por lo que se hizo
necesario sustituir la aplicación del mismo por la evaluación de los cordones soldados en
función de la calidad superficial, morfología y la dificultad para remoción de escoria a objeto
de delimitar la zona paramétrica inicial.
2.1.3.
Criterio
de
Estabilidad
del
Arco
Para aplicar el último criterio necesario para delimitar completamente la zona paramétrica,
se
determinó
el
mínimo
valor de corriente base (Ib) que permitiera mantener el arco encendido. Para esto se
realizaron
parámetros
soldaduras
aleatorios
ubicados
progresivamente
dentro
de
la
la
con
zona
paramétrica,
disminuyendo
corriente
de
base (Ib), hasta producirse la extinción del arco, obteniéndose así el valor que satisfacía
este
criterio.
2.1.4. Acotamiento de la Zona Paramétrica Finalmente se evaluaron una serie de soldaduras
fabricadas
de acuerdo a conjuntos de variables seleccionados por el método de ensayo y error e
incluidas en la zona paramétrica obtenida mediante la aplicación de los criterios «burnoff» y
de estabilidad de arco con el fin de obtener el área de trabajo definitiva o Zona Paramétrica
Limitada. Las pruebas se realizaron fijando diferentes valores de Ib y variando los
correspondientes a Ip y Tp. Del conjunto de cordones obtenidos, se seleccionaron aquellos
que
presentaron
las
mejores
características
con
respecto a estabilidad del
arco,
oscilogramas, facilidad de remoción de escoria, apariencia superficial y cantidad de
salpicaduras. El acotamiento de la zona paramétrica inicial se realizó delimitando un área de
trabajo
con
los
parámetros
de
fabricación
de
tales
cordones.
2.2. Elaboración del Cupón de Revestimiento Duro Una vez establecida la Zona Paramétrica
Limitada
para
el
aporte de revestimientos duros con el proceso de soldadura FCAW-P, se procedió a realizar
una serie de cordones sobre la lámina de acero A36. Estos cordones se evaluaron en función
de su aspecto superficial, penetración y dilución; seleccionándose finalmente para la
fabricación del cupón de prueba, el cordón que presentó menor penetración, acabado
superficial óptimo y nivel de salpicaduras aceptable. Este cupón se elaboró en posición plana
horizontal (1G) con cordones de un solo pase, uno al lado del otro, aplicándolos en una sola
dirección y en posición plana (Figura 1).
2.3. Evaluación de los cupones
La evaluación del revestimiento se realizó mediante ensayos no destructivos (inspección
visual y líquidos penetrantes) y destructivos (macrografía, composición química, dureza).
3. RESULTADOS Y DISCUSIÓN
La composición química del alambre tubular proporcionada por el fabricante y utilizada en la
fabricación del revestimiento duro se indica en la Tabla 1. El electrodo utilizado no posee
especificación AWS ya que este tipo de aporte presenta una extensa variedad de
composiciones
clasificación;
químicas,
características
adicionalmente,
los
y
ensayos
propiedades
de
estandarizados.
3.1. Determinación de los Parámetros de Pulso
3.1.1. Criterio «burnoff»
mecánicas
certificación
de
que
los
dificulta
mismos
su
están
Las gráficas Va vs Im obtenidas para los modos de transferencia metálica convencional y
pulsada se muestran en la Figura 2. La intersección entre las dos rectas indica el valor de la
corriente de transición entre los modos de transferencia convencional y pulsada, tal punto
se encuentra a una Va de 1,2 m/min, el cual representa la velocidad mínima de
alimentación para obtener transferencia pulsada.
En la Figura 3 se representa la «zona paramétrica» obtenida a partir de la ecuación (1),
donde se observa la relación lineal entre la corriente de pico y la corriente de base, para las
diferentes combinaciones de parámetros. Para la construcción de la zona paramétrica se
seleccionó
una
velocidad
de
alimentación
(Va)
de
2
m/min
y
su
correspondiente valor de corriente media (Im) igual a 105,78 A de acuerdo a la gráfica de
transferencia pulsada de la Figura 2. La selección del valor de Va se derivó de dos
consideraciones: tal valor es superior al de la corriente de transición y el espacio físico del
laboratorio no permitió soldar a velocidades tan elevadas como las empleadas en el ámbito
industrial.
Para el cálculo del volumen de gota esférica (Vd) se consideró exclusivamente el espesor de
la
cáscara
metálica
del alambre tubular (0,35 mm), con radio (r) igual a 0,8 mm, obteniéndose un valor de
0,172
mm3.
El
valor
del
tiempo de ciclo (Tc) calculado mediante la ecuación (3) correspondió a 13,8 ms.
La zona paramétrica de la Figura 3 presenta la combinación de parámetros de pulso que
teóricamente proporcionan
3.1.2.
un
Criterio
arco estable, satisfaciendo así
de
la
el
presente criterio.
Transferencia
Metálica
La aplicación de este criterio requiere del estudio de los oscilogramas de tensión obtenidos a
partir
de
pruebas
de
soldadura a fin de evaluar el número y comportamiento de las gotas fundidas que se
desprenden desde la punta del electrodo. En los oscilogramas, tal desprendimiento
corresponde a los picos de la señal. En la Figura 4 se ejemplifican dos de los oscilogramas
evaluados
en
los
cuales,
además
del
desprendimiento
de
gotas,
es
posible
observar la inestabilidad del arco eléctrico, presuntamente debida a la acumulación de gotas
de
volumen
reducido
que
luego
se
desprenden
por
efecto
de
la
gravedad.
Por otra parte, debido a la irregularidad de la transferencia metálica pulsada empleando
electrodo tubular, la cual se refleja en la presencia de numerosos picos en los oscilogramas
en
la
escala
de
voltaje,
se
hizo
imposible
discriminar los mismos de acuerdo a un número específico de gotas por pulso para cada
condición
usada,
3.1.3.
por
lo
cual
Criterio
no
de
se
aplicó
el
presente
Estabilidad
criterio.
del
Arco
Las pruebas de soldadura realizadas, empleando distintos conjuntos de valores de la zona
paramétrica
inicial
y
disminuyendo progresivamente la intensidad de la corriente base (Ib), indicaron que el
mínimo
valor
3.1.4.
que
mantiene
Acotamiento
el
arco
de
eléctrico
encendido
la
es
Zona
de
20
A.
Paramétrica
Si bien, el segundo criterio referido a la transferencia metálica no pudo ser aplicado debido
al
comportamiento
irregular de las gotas fundidas, en la Figura 5 se indica el área resultante a partir de la
fabricación y evaluación de los cordones soldados, la cual corresponde a la Zona
Paramétrica
Limitada.
Sin
embargo,
se
debe
tener
en
consideración que las condiciones incluidas dentro de estos límites no implican que sean las
únicas posibles para obtener revestimientos duros con calidad satisfactoria.
3.2. Elaboración del Cupón de Revestimiento Duro En la Tabla 2 se presentan los
parámetros
de
soldadura
utilizados en la fabricación de los cordones cuyos parámetros se encuentran dentro de los
límites de la Zona Paramétrica Limitada y que fueron evaluados en función de su aspecto
superficial,
penetración
y
dilución,
tal
como
se
indica
en
la
Figura
6.
De acuerdo a esta evaluación, para fabricar los cupones de prueba del revestimiento duro
se seleccionó el cordón que presentó menor penetración, excelente acabado superficial y un
nivel de salpicaduras aceptable, cuyas condiciones correspondieron a Tp = 3,1 ms, Tb =
10,7 ms, Ip = 300 A y Ib = 50 A. Los oscilogramas respectivos se muestran en la Figura 4.
3.3. Evaluación de los cupones
Los resultados satisfactorios de la evaluación no destructiva del cupón de prueba revestido
se verificaron con la forma y/o perfil óptimos del cordón, el bajo nivel de salpicaduras y la
facilidad de remoción de la escoria, además de la ausencia de discontinuidades superficiales
tales como socavaduras y grietas. La evaluación de la penetración y dilución del
revestimiento se realizó a través de la macrografía de la sección transversal del cupón, las
cuales deberían ser lo suficientemente bajas para impedir el empobrecimiento en elementos
aleantes contenidos en el material de aporte y transferidos al revestimiento. El porcentaje
de dilución obtenido fue de 27,9 ± 2,3% el cual se encuentra dentro del rango de valores
reportados por la literatura (10 a 40%).
Los resultados de la composición química se indican en la Tabla 3. Los elementos presentes
en
el
depósito
se
encuentran por debajo de los porcentajes nominales especificados por el fabricante del
material
de
aporte
debido
a la dilución y a las pérdidas de elementos por oxidación por ausencia de protección gaseosa
externa. Sin embargo, la cantidad de carbono presente en el revestimiento se encuentra
dentro
de
los
valores
esperados
garantizando
así
una
dureza
adecuada.
El valor de dureza obtenido (56 ± 3 HRc) concuerda con las especificaciones indicadas por
el fabricante del electrodo, concluyéndose que el revestimiento califica según las normas
aplicadas.
4.
CONCLUSIONES
Los parámetros de arco pulsado en el proceso de soldadura FCAW para revestimientos
duros
pueden
ser
parcialmente
determinados
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 son
Tp = 3,1 ms, Tb = 10,7 ms, Ip = 300 A, Ib = 50 A, Im = 106 A y Va = 2 m/min.
La transferencia metálica en el proceso FCAW-P se caracteriza por su irregularidad, lo cual
se
traduce
en
la
generación de gran cantidad de gotas por pulso de diferentes tamaños y por lo general
menores al diámetro del electrodo. Los revestimientos de recargues duros obtenidos
mediante
el
salpicaduras)
proceso
y
su
FCAW-P
calidad
presentan
interna
un
acabado
(composición
superficial
química,
aceptable
penetración,
(pocas
dilución
y
dureza)cumple las especificaciones indicadas por el fabricante y las establecidas en la
Sección IX del Código ASME y la Norma AWS B2.1-1998.
5.
AGRADECIMIENTOS
La realización del presente trabajo fue posible gracias a los aportes del Fondo Nacional de
Ciencia,
Tecnología
e
Innovación (FONACIT) a través del Proyecto S1- 2001000869 y del Consejo de Desarrollo
Científico y Humanístico (CDCH) de la Universidad Central de Venezuela.
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