EFECTO DE LAS VARIABLES DE PROCESO EN EL METAL DE APORTE PURO FERRÍTICO DEPOSITADO CON UN ALAMBRE TUBULAR METAL-CORED E111T5-K3

Transcripción

1 EFECTO DE LAS VARIABLES DE PROCESO EN EL METAL DE APORTE PURO FERRÍTICO DEPOSITADO CON UN ALAMBRE TUBULAR METAL-CORED E111T5-K3 Hernán G. Svoboda (1,2), N. M. Ramini de Rissone (3), E. Surian (4) y L. de Vedia (1,5) (1) Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingeniería, Dpto. Ing. Mecánica, Paseo Colón 85, Buenos Aires, Argentina. (2) Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingeniería, Laboratorio de Materiales y Estructuras, Las Heras 2214, Buenos Aires, Argentina. (3) Universidad Tecnológica Nacional, Fac. Reg. San Nicolás, DEYTEMA, San Nicolás, Argentina. (4) Universidad Nacional de Lomas de Zamora, Facultad de Ingeniería, Secretaría de Investigación, Lomas de Zamora, Argentina. (5) Universidad Nacional de San Martín CNEA, Instituto de Tecnología Prof. Jorge Sábato, San Martín, Argentina. RESUMEN Se estudiaron los depósitos de soldadura realizados con un alambre tubular del tipo ANSI-AWS E111T5-K3 del sistema C-Mn-Ni-Mo, del tipo metal-cored, con baja generación de escoria. Se analizaron distintas configuraciones operativas con dos niveles de aporte térmico (1kJ y 1,5kJ) y dos tipos de gases de protección (CO 2 y Ar-2%CO 2 ) y dos posiciones de soldadura (bajo mano y vertical ascendente). El metal de aporte puro resultante de las distintas configuraciones de proceso se caracterizó química, estructural y mecánicamente, evaluándose el efecto de las distintas condiciones de proceso. La microestructura está compuesta fundamentalmente por FS(NA) y AF. Para similares valores de dureza y resistencia se observaron buenos valores de tenacidad, que presentaron poca variación con las variables de proceso estudiadas. Palabras Claves: metal de aporte puro, alambre tubular metal-cored, ferrita acicular, tenacidad 1. INTRODUCCIÓN En el último tiempo se han realizado numerosos estudios sistemáticos sobre metales de aporte puro ferríticos obtenidos con electrodos manuales revestidos, pero pocos se han llevado a cabo sobre alambres tubulares, en particular en el sistema C-Mn- Ni-Mo. Este tipo de alambres provee una excelente combinación de productividad y propiedades mecánicas, respecto de otros consumibles, por lo que se constituyen en una alternativa tecnológica sumamente interesante, en particular los metal-cored por su muy baja generación de escoria. El objetivo de este trabajo es estudiar sistemáticamente el metal de aporte puro ferrítico de alta resistencia obtenido con un alambre tubular con relleno metálico para distintas condiciones de proceso. En este sentido, se buscó establecer las relaciones existentes entre variables de proceso, microestructura y propiedades mecánicas, además de generar información relevante tanto para el usuario como para el fabricante, a fin de desarrollar criterios más racionales para la utilización y diseño del consumible. 2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL En el presente trabajo se estudió un alambre tubular clasificado según la norma ANSI-AWS A E111T5-K3. Las variables de proceso estudiadas fueron el gas de protección, el calor aportado y la posición de soldadura. Para ello se soldaron ocho probetas de metal de aporte puro según lo indicado en la mencionada norma con las siguientes configuraciones de proceso: alto calor aportado (2 pasadas por cada capa) con CO 2 como gas de protección, bajo calor aportado (tres pasadas por cada capa) con el mismo gas, alto calor aportado con mezcla Ar-2%CO 2 como gas de protección y bajo calor aportado con la misma mezcla de gases, todas en posición bajo mano. A su vez, se soldaron otras cuatro probetas con las mismas configuraciones en posición vertical ascendente. Las probetas se identificaron con tres caracteres asociados a las variables estudiadas: C: CO 2, A: Ar-CO 2, 2: dos pasadas por capa, 3: tres pasadas por capa, F: bajo mano, V: vertical ascendente. La corriente de soldadura varió entre A, la tensión de arco entre 2-3V y el calor aportado se mantuvo entre 1 y 2 kj/mm, para las distintas condiciones de soldadura. La temperatura de precalentamiento y entre pasadas fue de 15ºC. El stick-out fue de 2 mm y el caudal de gas de 2 L/min. El metal de aporte puro obtenido de cada probeta se caracterizó estructuralmente, cuantificando la macroestructura en la zona de la entalla de Charpy y los microconstituyentes en la zona columnar del último cordón. A su vez, se determinó la composición química del metal de aporte puro y se midió el

2 contenido de O y N en el metal depositado. Además se caracterizó mecánicamente, midiendo las propiedades de dureza, tracción e impacto obteniéndose la curva de transición dúctil-frágil entre 2 y 8ºC. En la figura 1 se puede ver un cupón soldado y las probetas extraídas para metalografía, tracción e impacto. soldadura ni del gas de protección. En cuanto a la dureza promedio se observó un aumento al disminuir el calor aportado (3 pas/capa), al soldar en vertical y con el gas de protección solamente al soldar en posición bajo mano. Figura 1. Cupón soldado y extracción de probetas. 3. RESULTADOS En la tabla I se observan los resultados obtenidos en la determinación de la composición química del metal de aporte puro, en porcentaje en peso. A su vez, se observa el resultado de la determinación del contenido de O en partes por millón. Tabla I. Composición química del metal de aporte puro de las distintas probetas. C2F C3F A2F A3F C2V C3V A2V A3V C Si Mn Mo Ni O* *ppm En general se observa que el C, Si y Mn aumentan levemente al utilizar la mezcla rica en Ar como gas de protección. El mismo efecto se ve al soldar en vertical ascendente. En cuanto a los valores de oxígeno no se observa variación para las probetas soldadas en posición bajo mano, mientras que para las soldadas en vertical disminuye el oxígeno al soldar con la mezcla rica en Ar. En la figura 2 se puede ver un corte metalográfico de la probeta C3V, donde se observan los distintos cordones realizados. En la tabla II se observa la distribución de la macroestructura en la zona de la entalla de Charpy, junto con los valores de dureza Vickers (HVm) promedio y el calor aportado (HI), para cada una de las probetas. Se observa una clara tendencia de aumento de la zona columnar (%ZC) al disminuir el calor aportado (3 pasadas por capa). A su vez no se detectaron variaciones en función de la posición de Figura 2. Corte metalográfico de la probeta C3V. Tabla II. Macroestructura, dureza y calor aportado de las probetas del alambre MC. Probeta HI (kj/mm) ZR (%) ZC(%) HVm C2F C3F A2F A3F C2V C3V A2V A3V En la figura 3 se puede ver la microestructura de la zona columnar del último cordón de la probeta A3V, observándose una estructura fina con productos de transformación de baja temperatura. Figura 3. Microestructura A3F, Zona columnar, último cordón (5x). En la tabla III se pueden ver los resultados de la cuantificación microestructural realizada sobre las distintas probetas en la zona columnar del último

3 cordón. En dicha tabla puede verse que la fase preponderante en la microestructura es la ferrita con segundas fases (FS) encontrándose también ferrita acicular (AF) y ferrita poligonal intragranular PF(I). El contenido de ferrita poligonal en borde de grano PF(G) es bajo y desaparece para las probetas soldadas en vertical. Tabla III. Cuantificación microestructural en la zona columnar del último cordón. Probeta AF PF(G) PF(I) FS(NA) FS(A) % % % % % C2F C3F A2F A3F C2V C3V A2V A3V En general puede verse un aumento de la fracción de FS al disminuir el calor aportado. Sin embargo no se identifican variaciones sistemáticas de la configuración microestructural en función de las variables estudiadas. En la tabla IV se pueden observar los resultados obtenidos del ensayo de tracción. Las tensiones se expresan en MPa. Tabla IV. Resultados del ensayo de tracción C2F C3F A2F A3F C2V C3V A2V A3V σ UTS * σ Y * *MPa, **(%) Se puede ver que tanto la resistencia a la tracción como el límite de fluencia aumentan al utilizar la mezcla rica en Ar, así como al disminuir el calor aportado y al soldar en vertical. Asimismo se observa una mayor sensibilidad del límite de fluencia a las variables estudiadas, estableciéndose una diferencia 3 MPa entre el menor y mayor valor medido. En la figura 4 se pueden observar las curvas de Charpy obtenidas para cada probeta entre 2 y -8ºC. Se puede ver que las curvas presentan una forma relativamente aplanada sin mostrar una transición abrupta. A su vez se observa que el metal depositado con este consumible es poco sensible a las variaciones de las condiciones de proceso, dado que la dispersión de los resultados es de alrededor de 25 J en todo el intervalo de temperaturas estudiado. En general las probetas soldadas con mayor aporte térmico (2 pas/capa) presentaron un mejor comportamiento al impacto en todo el intervalo de temperaturas. La probeta A3F presentó la mayor energía absorbida y la C3V la menor, en todo el intervalo de temperaturas. Asimismo no se observó un comportamiento sistemático en función del gas de protección ni de la posición de soldadura. Energia Absorbida (J) Temperatura (ºC) Figura 4. Curvas de Charpy entre 8 y 2ºC. 4. ANÁLISIS Y DISCUSIÓN C2F C3F A2F A3F C2V C3V A2V A3V Se ha encontrado que el gas de protección puede afectar el contenido de oxígeno [1] y asociado a esto el contenido de elementos de aleación, en particular aquellos que se encuentran involucrados en las reacciones de desoxidación del metal de soldadura como el Mn y el Si [2]. Para evaluar el efecto del gas de protección empleado se emplea el concepto de potencial de oxidación del gas, que se define según la ecuación (1) [3]. P OX = O 2 + ½ CO 2 (1) En este sentido el potencial de oxidación del CO 2 es 5 y el de la mezcla rica en Ar es 1. En la figura 5 se puede la relación entre el contenido de oxigeno en el metal de aporte puro en función del potencial de oxidación del gas de protección. Contenido de oxígeno (ppm) 76, 74, 72, 7, 68, 66, 64, 62, Potencial de oxidación del gas Figura 5. Contenido de oxígeno vs. Potencial de oxidación del gas de protección. Se observa una amplia dispersión de los resultados medidos para las probetas soldadas la mezcla rica en

4 Ar, mientras que para las probetas soldadas con CO 2 dicha dispersión es menor. A su vez, se tiene una tendencia de aumento del contenido de oxígeno al utilizar CO 2. Dicha tendencia es esperable dado que al soldar con un gas con mayor potencial de oxidación mayor es la presión parcial de oxígeno en la atmósfera del arco, por lo que el nivel de oxígeno en el metal de soldadura sería mayor [3]. Sin embargo para los alambres tubulares, en particular los metal-cored que poseen muy baja escoria se ha observado un comportamiento no sistemático en este aspecto [3,4]. Como se mencionó anteriormente, el efecto del gas de protección en el contenido de oxígeno está asociado con el contenido de Mn y Si. En la figura 6 se ve como varía el contenido de estos elementos para las distintas probetas soldadas, observándose que se presenta un aumento del contenido de los mismos al soldar con la mezcla rica en Ar. Concentración (wt%) Mn Si C2F C3F A2F A3F C2V C3V A2V A3V Probetas Figura 6. Contenido de Mn y Si para las distintas probetas soldadas. Asimismo se observa un leve aumento de dichos elementos al soldar en posición vertical. Este hecho estaría asociado a con características propias del proceso, ya que la corriente de soldadura es menor, la velocidad y la oscilación del cordón son mayores. Contenido de Carbono (wt%) Posición de soldadura (1=F, 2=V) Figura 7. Contenido de carbono en función de la posición de soldadura. En este sentido se observó un efecto más marcado de la posición de soldadura en el contenido de carbono, como puede verse en la figura 7. En dicha figura puede verse que el contenido de C se incrementó levemente al soldar en posición vertical, con una mayor dispersión en los resultados medidos en dicha posición. Estos observaciones respecto de las variaciones de la composición química del metal de soldadura con las variables estudiadas son importantes dado que la concentración de elementos de aleación modifica el desarrollo estructural y las propiedades mecánicas asociadas. En cuanto a la macroestructura, se puede ver que el porcentaje de zona columnar en la zona de la entalla de la probeta de Charpy disminuye a medida que aumenta el calor aportado, esto se ha reportado en la literatura [5] y se ha observado en las probetas soldadas con los otros consumibles estudiados y estaría asociado con la distribución de los cordones al soldar con 3 pasadas por capa (bajo calor aportado) donde sobre la zona central queda un cordón. Este efcto no se da al depositar dos pasadas por capa (alto aporte térmico). En la figura 8 se puede ver dicho efecto. Porcentaje de zona columnar (%) Calor aportado (kj/mm) Figura 8. Porcentaje de zona columnar vs. Calor aportado. No se observaron variaciones de los porcentajes de zonas primaria y recristalizada en función de la posición de soldadura ni en función del gas de protección utilizado. En cuanto a la microestructura se tiene que en las probetas soldadas bajo mano al aumentar el contenido de Mn disminuye la cantidad de AF y aumenta la de FS(NA), mientras que la poca PF(G) desaparece. Esto está asociado con un aumento de la templabilidad del material. En la figura 9 se puede ver este efecto. Los mayores contenidos de Mn se produjeron en las probetas soldadas con la mezcla rica en Ar, por lo que dichas probetas presentan una mayor proporción de FS(NA) y menor de AF, en consistencia con lo mencionado anteriormente. Por otro lado para las probetas soldadas en vertical no se observa esta relación con el contenido de Mn. La probeta 4C3V, que presenta el menor contenido de AF y el máximo de FS(NA), si bien no difiere significativamente en el contenido de Mn, presenta el mayor valor de C y de Si, mientras que los contenidos de Ni y Mo son los mínimos medidos.

5 Porcentaje de microconstituyente AF FS(NA) Contenido de Mn (wt%) Figura 9. Variación del contenido de AF y FS con el contenido de Mn para las probetas soldadas bajo mano. En general, excepto la probeta mencionada, las variaciones observadas de la configuración microestructural no fueron muy severas al modificarse las variables de estudio. Esto muestra que este consumible no es demasiado sensible a las variaciones en los parámetros de soldadura dentro del rango estudiado de dichas variables. No se observaron variaciones sistemáticas en función del gas de protección utilizado. En la probetas soldadas bajo mano, al utilizar la mezcla rica en Ar se obtuvo un mayor porcentaje de FS(NA). La fracción de PF(G) fue baja en todas las probetas, pero en particular al soldar en posición vertical la PF(G) se anuló. Sin embargo la PF(I) se mantuvo para todas las probetas entre 1 y 2%. En cuanto al efecto del calor aportado sobre la microestructura se tiene que las probetas soldadas en posición bajo mano no mostraron variaciones sensibles de los componentes microestructurales al variar el HI. Sin embargo, para las probetas soldadas en vertical se puede ver que al disminuir el calor aportado disminuye la AF y aumenta la FS(NA). Esto es consistente con que la velocidad de enfriamiento es mayor al disminuir el HI, dando como resultado mayor porcentaje de productos de transformación de menor temperatura. En la figura 1 se puede ver el efecto del HI mencionado. Respecto de las propiedades mecánicas las probetas soldadas con la mezcla rica en Ar resultaron con mayor limite,2% y mayor resistencia a la tracción. Esto estaría asociado al mayor contenido de C, Mn y Si. A su vez, se observó un aumento de ambos parámetros con la disminución del calor aportado. Esto estaría asociado a la mayor velocidad de enfriamiento producida en los depósitos soldados con menor calor aportado dando lugar a la formación de microconstituyentes de menor temperatura y mayor dureza. Las probetas soldadas en vertical resultaron con mayor resistencia, principalmente respecto del límite,2%. A su vez se observó una relación entre el contenido de FS(NA) y los valores de dureza, límite de fluencia y resistencia a la tracción. En la figura 11 se puede ver esta relación. Porcentaje de AF y FS(NA) (%) AF FS(NA) Calor aportado (kj/mm) Figura 1. Porcentaje de AF y FS vs. Calor aportado (HI) para las probetas soldadas en vertical. Resistencia/Dureza (MPa/HV) HV R,2% Ruts Porcentaje de FS (%) Figura 11. Porcentaje de FS(NA) vs. Dureza, Límite de fluencia y Resistencia a la tracción. Se observa una mejor correlación con la resistencia a la tracción que con el límite,2%, donde nuevamente se observó una dispersión más amplia. En las ecuaciones (2) y (3) se expresan las relaciones de la resistencia a la tracción y la dureza con el porcentaje de FS. σ UTS = (%FS) (2) HVm =.7517(%FS) (3) En cuanto a la tenacidad el comportamiento de las probetas soldadas con CO 2 difiere sustancialmente del de las probetas soldadas con la mezcla rica en Ar, por lo que se realizó un análisis independiente para cada caso. Como puede verse las variaciones en los distintos parámetros del proceso estudiados afectan simultáneamente de diversas formas el desarrollo microestructural, estando dichos factores microestructurales íntimamente relacionados entre sí. Esto se refleja finalmente sobre las propiedades medidas en el metal depositado. Estas propiedades no son más que el resultado de la interacción simultánea de los efectos mencionados. En este sentido el análisis individual de algún parámetro no tiene muchas veces eficacia en la predicción de las propiedades finales por

6 lo que debe encararse un análisis integral considerando todos los efectos producidos y su interacción. De esta forma se relacionaron los diversos efectos analizados arriba a fin de estimar un parámetro controlante de la tenacidad que involucre tanto la composición, los porcentajes de las zonas primaria y secundarias, las fracciones de los microconstituyentes medidos en el último cordón y los tamaños de grano de las distintas zonas. Los diversos elementos analizados se incorporaron a un modelo que se constituye como una estimación más racional de lo que sucede microestructuralmente en la zona de la entalla. Se desarrollaron dos expresiones independientes para las probetas soldadas con CO 2 y para las soldadas con la mezcla rica en Ar, dado que como se mencionó, se observaron comportamientos diferentes para ambos casos. En la figura 12 se puede ver el resultado de la aplicación del modelo desarrollado para estimar la tenacidad del metal de aporte puro de las distintas probetas estudiadas a 6 C, comparándose los valores de energía medidos con los correspondientes valores estimados. Energìa absorbida (J) a -6ºC estimada Energía absorbida (J) en CVN a -6ºC Figura 12. Energía absorbida (J) en CVN a 6ºC vs. Energía absorbida (J) a 6ºC estimada. Las expresiones del modelo desarrollado están dadas por la ecuación (4) para las probetas soldadas con CO 2 y por la (5) para las soldadas con la mezcla Ar- 2%CO 2. Como se puede ver en la figura 12 se obtuvo una muy buena correlación entre los valores medidos y los estimados. E (-6ºC) Ar- CO2 =.1 %ZCol [ %AF- 2%PF(G)-1.1%FS(A)+.3%FS(NA)] +.2%ZR + 1HI 18[1.75-%Mn] + 17 (4) E (-6ºC) CO2 =.1 %ZCol [ %AF-2%PF(G)- 1.1%FS(A)+.3%FS(NA)] +.2%ZR 5[1.6- %Mn] + 15 (5) 5. CONCLUSIONES - Los contenidos de C, Mn y Si disminuyen levemente al soldar con CO 2 debido al mayor potencial de oxidación del CO 2. El contenido de oxígeno, en las probetas soldadas en vertical, aumentó al soldar con CO 2. Sin embargo este efecto no se detectó para las probetas soldadas bajo mano. - El porcentaje de zona columnar disminuye al aumentar el calor aportado debido principalmente a la disposición de los cordones en la junta. En las probetas soldadas bajo mano, al aumentar el contenido de Mn aumenta la FS(NA) y disminuye la AF, relacionado con un aumento de la templabilidad del material. En las probetas soldadas en vertical al aumentar el calor aportado aumenta la AF y disminuye la FS(NA), debido a una menor velocidad de enfriamiento. - La dureza aumenta levemente al disminuir el calor aportado, asociado a la mayor velocidad de enfriamiento para las probetas soldadas con menor HI, que produce productos de transformación de mayor dureza. La dureza de probetas soldadas en vertical fue superior, asociada con la mayor fracción de microconstituyentes de menor temperatura de transformación. Las probetas soldadas con la mezcla rica en Ar mostraron una dureza levemente superior debido a que el contenido de aleación en estas probetas fue mayor. Los resultados obtenidos para la resistencia a la tracción y el límite,2% son consistentes con los obtenidos en la dureza. Para el límite,2% se tuvo mayor dispersión en los valores. - En general el comportamiento al impacto de las distintas probetas fue bueno. No se observa una gran variación de la energía absorbida en el ensayo de Charpy al disminuir la temperatura. La energía absorbida disminuye al soldar en vertical ascendente, y en general aumenta con el calor aportado. - La tenacidad del metal de aporte puro está controlada por la interacción de parámetros microestructurales. Estos factores quedan determinados por las condiciones de proceso que afectan la composición final del metal de aporte puro y por el calor aportado que afecta la velocidad de enfriamiento del material. Se desarrolló un modelo experimental que involucra a todos estos factores microestructurales mencionados y estima satisfactoriamente la energía absorbida en el ensayo de Charpy a 6ºC. 6. REFERENCIAS [1] Lancaster, J.F., Welding Metallurgy, 4 Ed., Allen & Unwin, Londres, 1987, [2] M. Uda y S. Ohno, 1973, Trans. Natl. Res. Inst. Metals, 15, 2. [3] N. Stenbacka, Svetsen, Special Issue 1E, 199, pp [4] S.Liu y D. Olson, Welding Journal, Junio 1986, 139s. [5] G. Evans, N. Bailey, Metallurgy of Basic Weld Metal, Abington Publishing, 1997, England.