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Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°1, 21 - 26
SOLDADURA DE UN ACERO INOXIDABLE DÚPLEX 2205 POR GMAW
MEDIANTE EL USO DE LA TÉCNICA DE ARCO PULSADO
C. Porta, V. Ignoto, S. Cerpa, J. B. León, A. Quintero
Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales. Universidad Central de Venezuela.
Caracas- Venezuela
E-mail: [email protected]@[email protected]
Resumen
La soldadura de los aceros inoxidables dúplex es una aplicación de alto interés tecnológico debido a su gran versatilidad y
utilidada nivel industrial. En este trabajo se realiza la soldadura de láminas de 5 mm de acero inoxidable dúplex 2205 por el
procesode soldadura de arco con protección gaseosa (GMA W), mediante la técnica de arco pulsado. Adicionalmente se
presentaun procedimiento, que puede ser utilizado en cualquier tipo de acero, para determinar una zona de parámetros de
soldadura,dentro de la cual se producen bajos aportes calóricos, lo que garantiza una adecuada unión, sin modificar de manera
significativael balance de fases microestructurales (ferrita/austenita) y a la vez no se producen cambios en las propiedades
mecánicasy de resistencia a la corrosión del material. En conclusión se logra un proceso óptimo de soldadura de láminas de
acero2205 en un solo pase por GMA W -P, de bajo aporte calórico, con una zona afectada por el calor (ZAC) estrecha, obteniendo
buenaspropiedades mecánicas y disminuyendo el riesgo de aparición de fases perjudiciales (ó) en lajunta soldada [1].
Palabras clave: Dúplex, GMA W, arco pulsado, 2205, ZAC.
Abstract
Duplex stainless steel welding is a process of high technological interest due to its great versatility and use at industrial
level, In this work, it 1S achieved an optimal procedure for 2205 duplex stainless steel welding by Gas Metal Are Welding process
(GMAW) using the pulsed are technique. This procedure may be used for any steel in which a zone with different conditions
of weld is deterrnined. In this procedure, low caloric contributions take place, which guarantees a suitable union without
modifyingin significant way the balance of microstructural phases (ferrite/austenite) during the process and simultaneously no
changesin the mechanical and corrosive properties take place. Among the main conclusions, it is obtained a low caloric
contributionprocess, in one single pass for a 5 mm-thickness sheet with narrow heat affected zones in comparison with
conventionalwelding processes obtaining good mechanical properties and welded joints that do not show detrimental phases
(0')[1].
Key words: Duplex, GMA W, Pulsed Arc, 2205, ZA C.
1. Introducción.
En el proceso soldadura de arco con protección gaseosa
enmodode transferencia pulsada (GMAW-P) se obtiene un
controlmás preciso de la transferencia metálica con valores
decorrientepromedio más bajos y en consecuencia un aporte
calóricomenor. Esta mejora permite transferir el metal de
aportepor rociado sobre el metal base en forma de pulsos de
corrienteque se mantienen durante un tiempo especifico;
por lo tanto no se produce un daño microestructural
significativosi comparamos con métodos de transferencia
convencional, los cuales aportan una gran cantidad de
energíade forma continua. Otra de las grandes ventajas es la
versatibilidad del proceso pudiendo ejecutar la soldadura
encualquierposición inclusive sobre cabeza. En este trabajo
serealiza la soldadura de arco con protección gaseosa en
modo de arco pulsado para un acero inoxidable dúplex 2205
(UNS 31803). Este acero es susceptible a la formación de
fases perjudiciales
durante un inadecuado proceso de
soldadura, lo que se traduce en una disminución en las
propiedades mecánicas y resistencia a la corrosión del mismo.
Para realizar este estudio se han obtenido los parámetros de
soldadura (corriente de pico (Ip), corriente de base (lb),
tiempo de pico (Tp), tiempo de base (Tb) y velocidad de
alimentación (Wf)) siguiendo el método desarrollado por M.
Amin [2] y luego corregido por S. Rajasekaran [3]. Según
este método son utilizados tres criterios para determinar una
zona de trabajo delimitada, dentro de la cual los parámetros
encontrados son los adecuados para ejecutar la soldadura
entre el metal base y el metal de aporte.
21
22
C. Porta y col. / Revista Latinoamericana
2. Procedimiento Experimental.
2.3 Determinación
2.1 Materiales.
Se utilizaron láminas de 5 rnm de espesor de un acero
inoxidable dúplex 2205 (UNS 31803), la soldadura se hizo a
tope conjuntas de bisel a 60° dejando 2 rnm de talón y 2 rnm
de separación de raíz. El material de aporte empleado fue
alambre macizo de 1,2 rnm de diámetro del tipo ER 2209. La
tabla N° 1 muestra la composición química del material de
aporte y la del metal base. Como gas de protección se empleó
una mezcla de gases constituida por 2 % nitrógeno, 2 % de
oxígeno y balance argón.
2.2 Equipos de soldadura.
Se utilizó una máquina multiproceso MTE DIGITEC 300
diseñada por LABSOLDA \Brazil. Para este estudio la fuente
de energía fue operada en modo de arco pulsado y en modo
de arco convencional. Como característica adicional, el
equipo de soldadura tiene incorporado un osciloscopio digital conectado a un computador que permite la adquisición
de oscilogramas digitales, mediante el programa OSCILOS
versión 4.0. Se soldó bajo distintas condiciones para
construir gráficas de trabajo que permitieron determinar las
condiciones
óptimas. Estos datos permiten hacer un
seguimiento a los diferentes parámetros de soldadura y a la
vez el comportamiento del arco durante el proceso. La
determinación del calor aportado fue posible mediante los
datos de corriente y de voltaje efectivos [4], que son
importantes para la estimación del aporte calórico [5]. Un
sistema de avance semiautomático fue utilizado para realizar
avances de la pistola sobre el material base de manera
controlada.
Tabla N° 1 Composición química del material base y de aporte.
M. Aporte
(ER2209)
M.. Base
(UNS 31803)
C
0,014
0,024
Si
0,48
0,42
Mn
1,60
1,93
P
0,015
0,025
S
0,0005
0,0003
Cl"
22,93
22,66
Ni
8,60
5,49
Mo
3,19
2,83
N
0,157
0,18
de soldadura.
El método desarrollado por Amin [2] y las correcciones
posteriores realizadas por S. Rajasekaran [3] permitieron
obtener una gráfica por ensayo y error de los registros de
soldadura en arco convencional y por arco pulsado. Estos
valores fueron registrados
a cuatro velocidades
de
alimentación distintas y el criterio utilizado para tomar dichos
puntos, fue que la velocidad de quemado del electrodo fuese
igual a la velocidad de alimentación de dicho alambre,
creándose así un arco constante y estable. En la figura 1 se
observan dos curvas (convencional
y pulsado).
La
intersección de ambas determina la velocidad mínima de
alimentación para obtener transferencia de tipo rociado
(spray) y el valor de corriente promedio necesario, por encima
del cual, se debe mantener la corriente media en el proceso
por arco pulsado. El valor de corriente promedio fue de 146,2
A. En cuanto a la velocidad de alimentación utilizada, en este
estudio se consideró el valor por encima del obtenido en el
punto de intersección; siendo la velocidad empleada de 5 mi
mino
400
•
350
Convencional
--
300
Pulsado
.§
'"
(%)
de los parámetros
Durante el proceso de soldadura se mantuvieron
constantes los siguientes parámetros:
•
Distancia desde la tobera a la lámina: 15 rnm.
•
Flujo de gas protector: 15 L/min.
•
Polaridad directa con corriente positiva en el
electrodo.
•
Orientación del electrodo: 0° respecto a la vertical.
~
Elemento
de Metalurgia y Materiales.
"C
CII
E
.l!!
c:
.~
250
200
150
~
o
(.)
Intersección
100
146.2 A
50
,
O
O
,
!
2
Velocidad
4
de alimentacion
Fig. l. Criterio del desprendimiento
i
8
6
10
Wf (M/Max)
de gota para el metal de aporte
(ER 2209).
2.3.1 Tiempo de desprendimiento
de gota.
Se tomó un registro de corriente y de voltaje en arco
convencional a una velocidad de alimentación de 5 m/min,
luego se representan graficamente (Fig. 2), para estimar los
intervalos de desprendimiento de gota
23
Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°1.
2.3.2 Factor de desprendimiento
200..-----------------·50
~ ¡.-TIempo de desprendimiento
180
de gota
45
160
40
valor promedi o = 165.8 P.
140
35
~ 120
2:
30 e
o
.¡;¡
e
25
~
60
de gota "Kv".
Con el tiempo de mayor frecuencia de desprendimiento
de gota, la-pendiente (M) proveniente de la figura 4 y el valor
de corriente promedio obtenida de modo convencional (Fig.
2), se determinó el factor de desprendimiento de gota "Kv".
El valor de Kv' permite determinar
una ecuación
denominada curva de potencia constante (ecuación 2), la
cuaJ delimita una serie de rectas radiales, definidas en función
.de los distintos tiempos de pico posibles, obtenidos de la
ecuación 3.
20
40
M
20
(1)
o+-----~------~----~----~------+
O
20
10
30
1,57 = K
1000
v
1650S-(-18).
,
10
50
40
.TDC = Kv
¡DC
15
TIempo [rns]
Kv=15,40
Fig. 2. Registro de corriente y voltaje en modo convencional a 5m1
mino
Posteriormente se elaboró un histograma de frecuencia
para los tiempos de desprendimiento de gota (Fig. 3) Y del
mismo se obtiene la mayor frecuencia de desprendimiento.
25
20
E
e
(J)
>
ID 15
(J)
"Cl
<t!
g
10
(J)
::l
(J
~
u. 5
O l
•-I
0,5
0,86
1.21
1,57
Donde IDC y T DC son la corriente promedio en el oscilograma
y el tiempo de mayor frecuencia.
La ecuación 2 debe tener como punto inicial el valor de
corriente promedio de 146,2 A, obtenido en la figura 1. La
ecuación 3 determina todas las combinaciones posibles de
corriente de pico vs. corriente de base, que pueden ser
realizadas a distintos tiempos de pico. La figura 5 muestra
una serie de rectas paramétricas (ecuación 3), cada recta de
la serie corresponde
a un valor particular
de Tp.
Adicionalmente, se determinó el valor de corriente de base
mínima para obtener un arco estable 18=15 A.
6·
5.9
I
1.93
2,29
2,64
Ymayor
Clase
Fig.3. Histograma de frecuencia para determinar el tiempo de
desprendimiento de gota. Velocidad 5 mi mino
I
c::8
58
{l
5.7'
(1)
i
.~
Como se muestra en el histograma de frecuencia, la mayor
frecuencia de desprendimiento
de las gotas es de
aproximadamente 1,57 milisegundos. Luego se determina la
corrientemínima para mantener el arco encendido (lb), con
estevalor de corriente, la velocidad de alimentación (Wf) y
el tiempo de base también fijo de 6 ms (valor de tieI1!P0
promedio para varias gotas), se registraron oscilogramas,
donde únicamente se varió Ip y Tp, para el caso de dos
gotaspor pulso. Se gráfica ellogaritmo de Ip vs. ellogaritmo
de Tp siendo la pendiente de esta gráfica (figura 4) el
coeficienteM.
o
~
()
-
1
~I
Corriente de pico vs Tiempo de
Pico
Lineal (Corriente de pico vs
Tiempo de Pico)
<>
Valores tomados de oscilograma
con dos gotas por pulso
5.5
el
o
...J
y =-1,822Sx+ 7,6049
5.4-
Wf=5m/min
o
Ib=20 A
5.31
Tb= 6 ms
I
5.2'
0.9
0.95
1.05.
1.1
1.15
1.2
1.25
1.3
Log Tiempo de Pico(ms)
Fig. 4. Relación entre la corriente de pico y el tiempo de pico para
determinar el coeficiente M de la curva de potencia constante.
24
C. Porta y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales.
Ip'<x Tp
= 15,40
Tabla N° 2. Condiciones experimentales estudiadas. (Wf = 5 mI
mino Va = Velocidad de avance 20 cm/min).
(2)
Donde 1M es la corren te promedio en el ciclo y T
es el tiempo de ciclo.
Condición
Condición
Condición
Condición
Condición
Condición
Condición
Condición
= Tp + Tb,
3. Resultados Experimentales.
De todas las condiciones delimitadas dentro de la zona
de trabajo (Fig. 5), se escogieron ocho para realizar el estudio.
A estas se les determinó tanto el aporte calórico bruto como
la penetración de la soldadura en una lámina sin bisel.
En la tabla N° 2 se presentan
las condiciones
experimentales estudiadas. Todas presentaron buen acabado
externo y con factibilidad de ser utilizado en un proceso de
soldadura por arco pulsado.
Tp(ms)
Tb(ms)
Ip(A)
Ib(A)
3.5
5,5
345
20
2
7
310
100
2,5
6.5
320
80
2
7
350
90
1
2
3
4
5
6
7
8
4
5
270
50
4,5
4,5
260
30
3
6
320
80
3
6
350
32
En .la tabla N° 3 se presentan los valores .de corriente
eficaz y voltaje eficaz, así como también el valor del aporte
calórico obtenido en el proceso y las diluciones respectivas.
Todos los valores de aporte calórico están por debajo del
necesario para realizar una soldadura óptima del acero, según
lo establecido por la teoría[6]. Para nuestro caso, se
obtuvieron soldaduras de óptima calidad con un aporte
calórico más bajo.
Grafica
Gráfica
# 5
Parametrica
400.0
•
\
380.0
360.0
0
340.0
0
320.0
300.0
280.0
TP'l
-+--'l'p:]
260.0
«
Tp
Tp::2.5
~
~
o 220.0
.,
"1.5
Tp:=2
240.0
--'-Tp=3
___
Tp=3.S
.11
!l.
1J
S
e
'g"
O
__
200.0
T_
Tp=4.5
"['~_o
180.0
To=.5.5
or_
160.0
'1'0=6.5
Tp=7
140.0
Tp=7.5
T)?'8
120.0
Tp=8.5
T _
100.0
__
poe
__
IB=l5
con/.
A
80.0
60.0
40.0
20.0
0.0
0.0
20.0
40.0
60.0
Corriente
80.0
100.0
120.0
140.0
160.0
de Base (lb) A
Fig. 5. Relación entre corriente de pico y corriente de base para distintos tiempos de pico. Se delimita la zona final de soldadura.
Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°l.
La función corriente eficaz y voltaje eficaz se calculan
para transferencia en arco pulsado según la ecuación (4) de
función efectiva.
F.ejicaz =
Con los valores calculados de corriente eficaz, voltaje
eficazy la velocidad de avance se determina el aporte calórico
bruto en el proceso de arco pulsado (ecuación 5).
Aportecalórico =
V* 1* 60
(5)
Va * 1000
Fig. 6. Fotomicrografía
%DILUCION=
*100
4netalbasefondido
del cupón soldado bajo la condición 6.
(6)
Atotalmetatiepositado
TablaW 3. Valores de Iefieaz, Vefiea" aporte calórico y % de dilución
paralas condiciones evaluadas.
1 eficaz
(A)
V eficaz
(V)
Condición1
200,0
26,2
Condición2
164,2
Condición3
172,3
Condición4
171.3
Condición5
]76.8
Condición6
Condición7
Condición8
Aporte
calórico
Dilución
(KJ/rnm)
(%)
1,57
50,76
24,1
1,19
48,29
26,5
1,37
54,63
24,8
1.27
55.62
25,2
1.33
48,86
177,9
24,2
1,29
56,20
185,7
26,5
1,48
54,28
190,]
23,2
1,32
45.27
Lacondición 6 fue la seleccionada para realizar un cupón
deprueba debido a que el porcentaje de dilución obtenido,
fueel mayor de todas las condiciones de soldadura evaluadas
enestetrabajo. La figura 6 muestra la micrografía de la junta
soldada,donde se observan las tres zonas típicas de lajunta.
Nóteselo estrecho de la zona afectada por el calor (ZAC).
En la figura 7 se observa en detalle la microestructura
tantode la zona afectada por el calor como de la zona del
metalde aporte, en ambos casos la muestra esta compuesta
porregiones alargadas de austenita en una matriz ferrítica.
Ambasfases están libres de fases perjudiciales como la fase
o,oporlo menos no se aprecian de manera evidente. En un
estudioanterior [6] para un proceso similar (GTAW) fueron
empleadosvalores de aporte calórico mayores al utilizado
enesteestudio. En ese trabajo se indica la importancia de
mantenerbajo aporte calórico durante el proceso.
,...
Fig. 7. a) Detalle de la zona afectada por el calor 500X, b)
Detalle del metal de aporte 500X
25
C. Porta y col. / Revista Latinoamericana
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de Metalurgia y Materiales.
4. Conclusiones.
Bibliografía.
1.- El acero inoxidable dúplex 2205 debe ser soldado con
aportes calóricos bajos pues altos aportes de energía
dan lugar a la aparición de fases perjudiciales en las
uniones soldadas.
2.- Se debe trabajar a una velocidad mayor a los 4 mlmin. de
velocidad de alimentación del alambre para conseguir
transferencia rociada en arco pulsado y los valores de
corriente media deben ser superiores a 146,2 A para
garantizar estabilidad del arco y buena calidad de la
soldadura.
3.- Este método permite realizar un proceso de soldadura en
un solo pase para chapas de 5 mm en cualquier posición
de soldadura, inclusive en la posición sobre cabeza.
4.- Las condiciones encontradas fueron únicamente para
una velocidad de alimentación de 5 mlmin. Sin embargo
el valor de la pendiente de 1,8 puede ser utilizado en la
construcción de cualquier zona paramétrica a cualquier
velocidad mientras el diámetro del alambre sea de 1,2 rnm.
5.- No se observó presencia de ninguna otra fase distinta a
las constituyentes elementales del acero dúplex 2205
(austenita-ferrita). Esto garantiza desde el punto de vista
microestructural que este método fue adecuado para la
soldadura del acero DSS 2205.
6.- Se encontró un adecuado balance de fases en la unión
soldada, buena recristalización
de la austenita y un
adecuado crecimiento de la misma.
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