UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA

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1 UNIVERSIDAD CENTRAL MARTA ABREU DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA Centro de Investigaciones de Soldadura Trabajo de Diploma Título: Evaluación de un electrodo tubular revestido base manganeso para la soldadura subacuática mojada Autor: Carlos E. Ponce Castellano Tutores: Dr. Manuel Rodríguez Pérez Dr. Lorenzo Perdomo González Consultante: Dr. Ramón Martínez García Curso

2 Pensamiento Nunca consideres el estudio como un deber, sino como una oportunidad para penetrar en el maravilloso mundo del saber. Albert Einstein ( ) Físico alemán. 1

3 Dedicatoria Esta tesis se la dedico a mis padres, a mis abuelos, a mi hermana Marlen y a mis tíos. 2

4 Agradecimientos Le agradezco a mis padres y a mi hermana Marlen; también le agradezco a mis tutores, y a todo aquel que de una forma u otra me ayudó en el transcurso de estos cinco años de carrera. 3

5 Resumen En el siguiente trabajo se valora el comportamiento tecnológico durante la soldadura realizada en condiciones atmosféricas y en la soldadura subacuática mojada, de electrodos tubulares fabricados con un diámetro de 4 mm, utilizando un revestimiento del tipo rutílico con la adición de un 20 % de calcita y empleando en la carga aleante, óxido de hierro III (Fe 2 O 3 ), polvo de aluminio y ferromanganeso. Se estudia además el tipo de estructura obtenida en el depósito, para los cordones realizados durante la soldadura subacuática mojada, considerando el efecto favorable del manganeso sobre la formación la ferrita acicular. 4

6 Abstract In the following work assesses the technological behavior during welding performed in atmospheric conditions and in underwater wet welding of tubular electrodes manufactured with a diameter of 4 mm using a Rutile type coating with the addition of a 20% calcite and using the load alloying ferric oxide (Fe 2 O 3 ), aluminum powder and ferromanganese. We also study the type of structure obtained in the tank for strands made during underwater wet welding, considering the favorable effect of manganese on the formation of acicular ferrite. 5

7 Índice Introducción...6 Capítulo I: Marco Teórico Características de los alambres tubulares Composición y función del fundente Influencia de los elementos de aleación aportados por los materiales...7 componentes de los alambres tubulares Aspectos teóricos sobre el coeficiente de transferencia de los elementos de aleación Clasificación de los electrodos tubulares Características operacionales y económicas Aspectos generales sobre el efecto de la ferrita acicular sobre la resistencia del acero Formación de la ferrita acicular...25 Capítulo II: Materiales y métodos Fabricación de electrodos tubulares. Aspectos Generales Preparación de la materia prima a utilizar Fabricación de los alambres tubulares Realización de depósitos para el estudio de la composición química y metalográfico...38 Capítulo III: Resultados obtenidos y su discusión Evaluación del comportamiento tecnológico de los electrodos Resultados del análisis de la composición química de los depósitos Resultados del análisis microestructural de los depósitos obtenidos...44 Conclusiones...50 Recomendaciones...51 Bibliografía

8 Introducción La soldadura manual con electrodos revestidos es un proceso que se utiliza actualmente, esta soldadura cuenta con la posibilidad de usar una gran variedad de electrodos, dentro de ellos, se encuentran los del tipo E 6013 que son de los más empleados debido a su excelente operatividad, lográndose uniones soldadas con propiedades aceptables desde el punto de vista de la resistencia mecánica. Cuando se aplican estos consumibles, se forman estructuras en el cordón que reducen considerablemente la tenacidad de la unión soldada, afectando así la resistencia mecánica, estas estructuras son la ferrita del tipo Widmanstätten y de contorno de grano. Por otra parte se encuentra la ferrita acicular que es una microestructura con mejores propiedades de tenacidad a las antes mencionadas, por esta razón, se trabaja a nivel mundial en el desarrollo de consumibles que logren esta microestructura a partir de la adición al sistema aleante de elementos que favorezcan su formación. En uno de los consumibles que se ha venido trabajando para mejorar la estructura de los depósitos, es en los alambres tubulares, estos presentan algunas ventajas como: elevada productividad, alta utilización del metal del electrodo y dan además la posibilidad de adicionar en la carga diversos componentes como ferroaleaciones o minerales, pudiendo evaluar diferentes componentes en el sistema de aleación, con el objetivo de alcanzar estructuras en el cordón de soldadura que brinden a la unión mejores propiedades de resistencia mecánica y por tanto ofrecer una posibilidad de utilización en el campo de la soldadura convencional e incluso en condiciones subacuáticas. El Centro de Investigaciones de Soldadura de la Universidad Central de Las Villas, está trabajando en el desarrollo de electrodos tubulares con el objetivo de estudiar el efecto del manganeso sobre la microestructura del metal depositado, cuya carga está compuesta por cascarilla de laminación (Fe 2 O 3 ), aluminio, y un 16 por ciento de ferromanganeso. 1

9 A partir de aspectos señalados anteriormente, la problemática de la presente investigación es la siguiente: Problema práctico: Durante la realización del proceso de soldadura en condiciones subacuática mojada surgen frecuentemente grietas en el cordón, asociadas a la formación de estructuras de baja tenacidad en el cordón debido a las condiciones de enfriamiento que le impone el medio, así como elevada porosidad debido a la presencia de H 2 O en la zona de soldadura. Hipótesis: Con la utilización de electrodos tubulares que en su carga aleante estén presentes elementos de aleación que favorezcan la formación de la ferrita acicular, como por ejemplo: el manganeso e inclusiones de óxidos, es probable que aparezca este tipo de estructura en el cordón y por tanto, obtener mejores propiedades de resistencia mecánicas de la unión soldada. Teniendo en cuenta lo señalado en la hipótesis de la investigación se han trazado los siguientes objetivos: Objetivo General: Establecer las potencialidades de aplicación de un electrodo tubular revestido utilizando como carga aleante, una mezcla de óxido de hierro, polvo de aluminio y adiciones de manganeso. 2

10 Objetivos específicos: 1. Lograr la obtención de electrodos tubulares revestidos, según las exigencias de fabricación de dichos consumibles. 2. Conocer el comportamiento desde el punto de vista tecnológico de electrodos tubulares revestidos utilizando un revestimiento del tipo rutílico con adiciones de calcita, manteniendo como carga aleante una mezcla de óxido de hierro, polvo de aluminio y adiciones de ferromanganeso. 3. Determinar el tipo de estructura obtenida en los cordones de soldadura realizados en condiciones subacuática mojada, con los electrodos tubulares fabricados, considerando el efecto de los componentes de la carga aleante. Tareas: 1. Revisión de la literatura especializada sobre el tema de la tesis. 2. Preparación de la materia prima para la fabricación de los electrodos. 3. Ajuste del equipamiento para la fabricación de los electrodos. 4. Fabricación de los electrodos para la evaluación, teniendo en cuenta el tipo de revestimiento y carga a emplear. 5. Realización de los depósitos y valoración cualitativa de los cordones. 6. Caracterización metalografía de los depósitos de soldadura. 3

11 Capítulo I: Marco Teórico 1.1. Características de los alambres tubulares Los electrodos tubulares consisten en un alambre de sección transversal en forma de tubo, que en su interior posee un fundente o una carga aleante, según se utilice para soldar o rellenar. Se obtienen mediante la laminación continua de un fleje o cinta metálica (que conforma el tubo) de pequeño espesor ( mm) y ancho variable, que depende del diámetro del electrodo que se fabrique. El diámetro final y el grado de compactación de la carga central (mezcla de elementos formadores de gases, escorias, desoxidantes, aleantes, etc.) se logran en el proceso de estirado al cual se someten con posterioridad a la laminación inicial. Este tipo de electrodo se emplea por lo general en procesos de soldaduras automática y semiautomática por arco con protección en atmósfera de gases (fundamentalmente en CO 2 ), aunque también se desarrollan tipos que no requieren protección exterior. Algunas secciones transversales típicas de estos electrodos tubulares se muestran en la figura 1.1 [1]. Figura 1.1. Geometría de secciones transversales típicas de electrodos tubulares: a), b), y c) con sección sencilla; d) con un doblez de envoltura; e) con dos dobleces de envoltura; f) con doble capa [1] 4

12 Las diferentes configuraciones de los alambres tubulares tienen sus propias características respecto a la relación de relleno o coeficiente de llenado. La relación de relleno se define como la proporción en peso del total de los materiales de relleno (peso de los fundente introducido en el núcleo) al total del peso del hilo (en tanto por ciento) [2]. Para un diámetro dado, el área de la sección transversal de la cinta que envuelve el núcleo disminuye cuando se aumenta la relación de relleno, cuanto menor sea esta sección transversal, mayor será el efecto del calentamiento por resistencia sobre la velocidad de fusión, siempre que se suelde con la misma intensidad de corriente y con la misma longitud libre del hilo. Los electrodos tubulares con relaciones de relleno elevadas pueden contener una cantidad considerable de polvo metálico en el núcleo (por ejemplo polvo de hierro), este polvo puede fundirse sin necesidad de consumir una energía adicional (la corriente fluye a través del forro envolvente) y por tanto se aumenta la velocidad de aportación. Además de lo planteado anteriormente hay que considerar que la soldadura con electrodos tubulares de pequeño diámetro con sección tubular también pequeña produce una elevada densidad de corriente, lo que mejora la estabilidad del arco y la transferencia de las gotas, sin embargo, la forma en que las gotas se transfieren y el comportamiento del arco está influido por la composición de la carga, la polaridad y la composición del gas protector. Es necesario señalar que la ventaja principal del procedimiento FCAW es la disminución de los costos globales de soldadura, lo cual solo puede compensarse mediante el aumento de la productividad que se logra en dicho proceso, con la disminución del tiempo total del arco, utilización de procesos total o parcialmente automáticos. Los aumentos de la productividad se pueden conseguir mediante: Velocidades de aportación más elevadas. Ciclos de trabajo más altos. Rendimientos del proceso más elevados. 5

13 Composición y función del fundente El núcleo de los alambres tubulares para soldadura, contiene los siguientes elementos fundamentales: Agentes formadores de escoria. Estabilizadores de arco Polvo metálico en los hilos tubulares de elevada relación de relleno. En función de la composición del núcleo los electrodos tubulares pueden dividirse en básicos y rutílicos. El fundente de los electrodos tipo rutilo contienen TiO 2, SiO 2 o feldespato y a veces Fe 3 O 4. El núcleo de los básicos contiene CaF 2 y CaCO 3 como principales agentes formadores de escoria. Los carbonatos se descomponen en gas CO 2 debido a la energía del arco lo cual proporciona una protección adicional al metal de la costura. Los óxidos alcalinos y los elementos aleantes se incorporan a la escoria junto con otros minerales adicionales para mejorar las propiedades tecnológicas y metalúrgicas del proceso [3,4]. La protección por la descomposición de los carbonatos y la fina capa de escoria que cubre las gotas de metal, producen contenidos sumamente bajos de nitrógenos entre rpm, Debido a la elevada capacidad de desoxidación y desulfuración de las escorias básicas pueden lograrse en el metal de soldadura bajos contenidos de oxigeno (0,04-0,05) y de azufre (0,02%). La capacidad de desfosforación de las escorias básicas es baja por tanto para la fabricación de estos consumibles y con el fin de obtener en el metal de soldadura una cantidad baja de fósforo, deben emplearse materiales de partida con bajo contenido de dicho elemento. El bajo punto de fusión y la poca viscosidad de las escorias básicas asegura un metal fundido con un contenido muy bajo de inclusiones de escoria [5]. Como ya se ha descrito el fundente en alambres tubulares tiene funciones específicas dentro de la carga como pueden ser: Proveer de propiedades mecánicas y metalúrgicas y de resistencia a la corrosión a los metales soldados mediante el ajuste de la composición química. 6

14 Limpia las impurezas del metal fundido debido a las reacciones escoria-metal. Produce una cubierta de escoria para proteger la solidificación del metal soldado del aire y para controlar la apariencia del cordón en las diferentes posiciones de soldadura. Se logra la estabilidad del arco proporcionando una trayectoria eléctrica uniforme para reducir la salpicadura y facilitar la uniformidad del depósito, garantizando un tamaño adecuado del cordón [2]. Por otra parte la capacidad de los alambres tubulares para depositar cordones con bajo contenido de hidrógeno es muy importante para las diferentes aplicaciones en soldadura. En función de la calidad del acero, cuando se sueldan grandes espesores fuertemente embridados, suelen especificarse para prevenir la fisuración en frío con un contenido máximo de hidrógeno en el metal depositado de 5ml/100g. En principio los alambres tubulares (incluidos los de tipo rutilo) pueden proporcionar un metal fundido con bajo contenido de hidrógeno. Los requisitos de la clase muy bajo (0-5ml/100g) puede conseguirse fácilmente sin necesidad de tomar precauciones especiales que, sin embargo, son necesarias en el caso de electrodos revestidos con bajo contenido de hidrógeno (almacenamiento en ambiente de baja humedad relativa y sec ado). El bajo contenido de hidrógeno en el metal fundido con hilos tubulares es el resultado de los elementos no higroscópicos utilizados. Como resultado de esto no existe la posibilidad de captación de hidrógeno y por tanto, el riesgo de absorción de humedad de la atmósfera por el núcleo en las condiciones de almacenamiento normales, es muy bajo [5] Influencia de los elementos de aleación aportados por los materiales componentes de los alambres tubulares La obtención de un determinado sistema aleante en él deposito depende de los materiales que se añaden en el núcleo del electrodo, la preparación y pureza de los mismos, así como por el tipo de protección utilizada para efectuar la soldadura. La 7

15 mayoría de estos materiales se obtienen mediante procesos metalúrgicos industriales y se suministran en forma de ferroaleaciones, con diferentes contenidos del elemento de aleación principal lo cual se conoce como grado de la ferroaleación. Por ejemplo cuando se dice de un ferromanganeso 75 significa que esta ferroaleación contiene como mínimo hasta un 75 % de manganeso, de manera similar ocurre para el ferrocromo, el ferrovanadio. En la tabla 1.1 se muestra los principales materiales que se emplean en la preparación de la carga aleante de los alambres tubulares [6]. Tabla 1.1. Algunos elementos de aleación presentes en los alambres tubulares y la forma más usual de presentación Elemento Carbono Cromo Manganeso Vanadio Silicio Volframio Usualmente se presenta como: Elemento en ferroaleaciones como el ferromanganeso o en forma de grafito (100% carbono). En ferroaleaciones o metal en polvo. Ferroaleaciones tal como ferromanganeso o metal en polvo. Ferrovanadio. Ferrosilicio Ferrowolframio o en polvos ricos en carburos de wolframio. Cada elemento de aleación aportado al metal por estas ferroaleaciones cumple una función específica relacionada con la estructura y propiedades del depósito, los cuales en su conjunto condicionan la resistencia a determinados regímenes de trabajo. Por ejemplo, el manganeso le comunica al material ciertas características especiales como: resistencia al desgaste, tenacidad y dureza. También se utiliza al manganeso como aleante de metales no férreos, en el aluminio como elemento endurecedor pues aumenta su dureza sin disminuir la resistencia a la corrosión. El níquel es un elemento dúctil y maleable muy duro y algo más tenaz que el hierro, es magnético propiedad que pierde a los 250ºC. En el acero participa como elemento aleante ya bien sea solo o en unión de otros metales como: el cromo, el vanadio o el 8

16 molibdeno. Estas aleaciones además de tener un costo moderado posee propiedades físicas muy mejoradas como: alta resistencia a la corrosión tanto atmosférica como de otras clases y una mayor facilidad de fabricación. El titanio por su parte influye en el afino del grano y el mejoramiento de las propiedades mecánicas, disminuyendo la tendencia al sobrecalentamiento y aumentando de forma considerable las temperaturas de temple, recocido y revenido. Es un elemento desoxidante, retrasa el crecimiento del grano en el tratamiento térmico a elevadas temperaturas. En las ferroaleaciones, el titanio se comporta como un estabilizador del arco, formador de escoria y como elemento de aleación. Sin dudas el carbono es el elemento fundamental en la composición química de los aceros e influye mucho en las propiedades mecánicas de estos materiales, incluso cuando su contenido varíe discretamente. A medida que aumenta el contenido de este elemento varia la estructura morfológica del acero y sus propiedades elásticas disminuyen, se observa un aumento de la resistencia del mismo y de su dureza lo cual provoca que descienda su tenacidad. De forma general en electrodos de baja aleación el propio balance de desnitrificación y desoxidación (en el caso de electrodos autoprotegidos) se mantendrá para proporcionar un depósito con adecuada ductilidad y dureza. Elementos desoxidantes tales como el silicio y el manganeso, combinados con oxígeno forman óxidos estables los cuales ayudan a controlar las pérdidas de elementos aleantes a través de la oxidación y la formación de monóxido de carbono que de otra manera podrían causar porosidad. La desnitrificación del aluminio, combinaciones con nitrógeno y la formación de nitruros estables prevén la porosidad del nitrógeno y la formación de otros nitruros que pueden ser dañinos Aspectos teóricos sobre el coeficiente de transferencia de los elementos de aleación El coeficiente de transferencia Kt se denomina a la relación de crecimiento o aumento de un elemento de aleación en la composición del metal de la costura respecto a la cantidad de este elemento introducido en la zona de soldadura [7]. 9

17 Es conocido que sobre los coeficientes de transferencia (Kt) influyen el régimen de soldadura, el grado de basicidad del fundente, la afinidad de los elementos con el oxígeno y la presencia de desoxidantes en el fundente, entre otros. El cálculo de los coeficientes de transferencia ha sido abordado en la literatura, tomando en consideración la influencia del metal base o sin considerarla, al realizar reiteradas deposiciones unas sobre otras [8]. El cálculo de los coeficientes de transferencia se realiza según la siguiente fórmula [8]: Kt [ Ea]cos a [ Ea] a b [ Ea] b c [ Ea] c donde: a + b + c = 1 Kt: Coeficiente de transferencia. [Ea]cos : Contenido del elemento en el metal de la costura, en %. [Ea]a, [Ea]b, [Ea]c: Contenido del elemento en el metal base, alambre electrodo y adiciones metálicas en el fundente, respectivamente, en %. a, b, c: Partes de participación que corresponden, respectivamente, al metal base, alambre electrodo y fundente en la formación del baño de soldadura. m a b m 1 ; 1 ( m 1) ( n 1) ; c n ( m 1) ( n 1) m E E ; d f ; n K p E ) ( a siendo: Ff: Área de fusión de la costura, se plantea su proporcionalidad a la masa del metal base fundido. Fd: Área del depósito, se plantea su proporcionalidad a la masa del metal depositado. 10

18 Kp: Relación de la masa de fundente fundido respecto al alambre fundido (consumidos en el proceso). (Ea): Parte de adición metálica en el fundente. : Parte de adición que se ha trasladado al baño metálico. En la determinación de a, b y c influye notablemente la relación de masa del fundente fundido respecto al alambre fundido (Kp), la cual, a su vez, depende del régimen de soldadura y del tipo de material empleado, entre otros factores, por lo que debe calcularse experimentalmente. Según la literatura consultada [8] manifiesta valores aproximados de 1,0 para esta relación, y se representa con ello igual consumo de fundente y de alambre-electrodo durante la soldadura. En el caso de este tipo de alambres [7], se aprovecha la facilidad de configurar la carga de minerales que poseen los elementos que luego van a ser transferidos al depósito según las exigencias requeridas por las piezas. Por lo tanto el coeficiente de transferencia juega un papel fundamental en el análisis preliminar a la configuración de dicho alambre, es por ello que se considera de gran importancia señalar los factores que influyen en el mismo. 1. Grado de saturación (a medida que se transfiere el elemento hacia el metal depositado, crece el grado de saturación del metal con este y por lo tanto disminuye la asimilación por el metal de dicho elemento y el coeficiente de transferencia comienza a disminuir). 2. Contenido de escoria ( el coeficiente de transferencia Kt se incrementa con el crecimiento del contenido en la escoria del oxido libre del elemento de aleación. Por esto dicho coeficiente depende de la naturaleza química del óxido libre en la escoria para un carácter ácido del óxido libre, con el incremento del grado de acidez de la escoria Kt crecerá.en una escoria básica el óxido ácido se manifiesta en un grado significativo combinados en complejos y por esto Kt podrá ser menor). 11

19 3. Naturaleza físico químico de la sustancia (sobre la magnitud del coeficiente de transferencia influye la naturaleza físico químico de la sustancia que contiene el elemento). 4. Grado de afinidad por el oxígeno (en condiciones iguales, el coeficiente de transferencia mas alto lo tendrá el elemento que posea el menor grado de afinidad con él oxígeno) 5. Elementos aleantes. 6. Granulometría, sobre el coeficiente de transferencia influye el grado de granulación del componente aleante introducido en el revestimiento del electrodo ya que cuanto mayor sean las partículas, tanto mayor se transfiere el elemento al metal, puesto que con el aumento de las dimensiones sumarias de las partículas disminuye las pérdidas a causa de la oxidación y evaporación. Además de lo mencionado el coeficiente de transferencia depende del régimen de soldadura, el carácter del medio gaseoso, la presencia en la zona de soldadura de desoxidantes activos y otros más [4, 9, 10, 11] Clasificación de los electrodos tubulares Los electrodos de acero dulce para FCAW se clasifican según: ANSI/AWS A5.20/95, Specification for Carbon Steel Electrodes for FCAW. La identificación es la dada en la Figura 1.2. La Tabla 1.2 indica el significado del último dígito en la clasificación [12]. Los electrodos se fabrican en tamaños estándar que van de 1,2 a 4mm de diámetro. Las propiedades de la soldadura pueden variar apreciablemente dependiendo del tamaño de electrodo, corriente de soldadura, espesor de la placa, geometría de la junta, precalentamiento, temperatura entre pasadas, condición superficial, composición del metal base y diferencias con el metal depositado y gas de protección. Muchos electrodos son diseñados para soldadura en posición plana, estos pueden ser utilizados para soldar en otra posición si se seleccionan adecuadamente el diámetro y 12

20 la corriente; diámetros inferiores de 2,4mm se pueden usar para soldaduras fuera de posición. La norma introduce distintos sufijos (de 1 hasta 14, G y GS), que indican un grupo de electrodos que contienen flux o componentes de núcleo similares, que les dan características similares de uso. Algunas clasificaciones se indican como adecuadas para simples o múltiples pasadas, mientras que otras son únicamente adecuadas para simples pasadas. EXXT-1 y EXXT-1M: Los electrodos del grupo T-1 son diseñados para utilizar con CO 2, como gas de protección y se utilizan con DCEP. Mezclas de argón y CO 2 también se utilizan para mejorar el funcionamiento, especialmente en soldadura fuera de posición (T-1M). Una disminución de la cantidad de CO 2 en la mezcla incrementa el manganeso y silicio en el deposito y puede mejorar las propiedades de impacto. Son diseñados para simples o múltiples pasadas. Los diámetros mayores (generalmente 2mm y mayores) son utilizados en soldadura en posición plana y soldadura de filete en posición horizontal. Los diámetros menores (1,6mm y menores) son generalmente utilizados para soldadura en toda posición. El grupo T-1 se caracteriza por una transferencia tipo spray, baja pérdida por salpicado, configuración de pileta plana o levemente convexa, y moderado volumen de escoria la cual cubre completamente la pileta soldada. Este tipo de electrodo produce una escoria tipo rutilo y son muy bien aceptados por los soldadores ya que produce un arco suave, bajo salpicado y piletas con buenas formas en toda posición de soldaduras, teniendo además altas velocidades de deposición. EXXT-2 y EXXT-2M: Se utilizan con DCEP, se diferencian con el grupo T-1 debido al mayor contenido de manganeso, silicio o ambos. Se diseñan primariamente para simple pasada de soldadura en la posición plana y en la soldadura de filete horizontal. La mayor cantidad de desoxidante lo hace adecuado para aceros semicalmados. El manganeso da buenas propiedades tanto en pasadas simples como múltiples. Sin embargo el contenido de manganeso y la resistencia mecánica podrá ser mayor en múltiples pasadas. Este electrodo puede utilizarse sobre materiales con incrustaciones, 13

21 óxidos y otros elementos extraños sobre su superficie permitiendo una soldadura de calidad radiográfica. EXXT-3: Los electrodos autoprotegidos T-3 permiten hacer soldaduras a elevada velocidad (250cm/min); son electrodos diseñados para simple pasadas. El aluminio presente hace que el metal moje lentamente, se utiliza silicio junto con o en lugar del mismo, para fijar él oxigeno. El titanio mejora el mojado y fija nitrógeno. Una familia de estos electrodos tiene muy baja punto de fusión de escoria que cubre levemente el centro de la soldadura. Esto lo hace ideal para soldaduras que deben ser solapadas en el comienzo. Los electrodos que no permiten solapado producen una cobertura completa de escoria, que resulta difícil de remover. Utilizan conexión a electrodo positivo (DCEP), tienen transferencia tipo spray y producen depósitos convexos a menos que se utilice una técnica especial de trabajo para posición plana (7-15 grados). La aleación depositada es endurecible por lo que se debe limitar la aplicación para soldaduras de filete o solapadas en materiales con espesores inferiores a 4,8mm en aceros poco aleados, esto evitaría velocidades de enfriamiento muy rápidas; mientras que para soldaduras a tope deben utilizarse espesores menores de 6,4mm, por no permitir múltiples pasadas. EXXT-4: Electrodo autoprotegido, diseñado para simples o múltiples pasadas. Opera en DCEP con transferencia globular, se utilizan grandes extensiones (64-95mm) lo que precalienta el electrodo y genera la transferencia de grandes gotas. El sistema de escoria es diseñado para dar características las cuales permiten mayores velocidades de deposición manteniendo un bajo nivel de azufre, lo cual hace que él deposito resulte resistente a fisuración. La transferencia globular dificulta la realización de soldaduras inferiores a 8mm, y hace difícil la penetración en la raíz de una soldadura de filete horizontal. Por esta razón, suelen usarse para llenar grandes volúmenes de juntas a tope y soldaduras con pobre acceso donde un producto con mayor penetración puede producir socavado en el material. EXXT-5 y EXXT-5M: Estos electrodos son diseñados para usar con CO 2 como gas de protección (o mezclas Ar-CO 2 T-5M) para simple o múltiple pasada, en posición plana y para filetes horizontales. Se caracterizan por una transferencia globular, con una 14

22 configuración de pileta levemente convexa y una fina escoria la cual puede no cubrir completamente la pileta soldada; la escoria es tipo básica, primeramente CaF 2 y CaCO 3. El depósito producido tiene buenas propiedades de impacto y resistencia a la fisuración comparados con los del tipo rutilo. (EXXT -1 y EXXT-2), sin embargo la operatividad de estos electrodos no es tan buena como la de los electrodos con escoria rutílica. EXXT-6: Los electrodos de esta clasificación son autoprotegidos, operan con DCEP, con una extensión de 25mm y tienen un modo de transferencia tipo spray. Es una segunda generación del T-4 e intentan competir con los alambres FCAW-G T-1 y T-5. Igual que para los T-4, los alambres de esta clasificación contienen altos niveles de óxidos alcalinos y óxidos de litio aglomerados como ferritas complejas y muy poca cantidad de fluorita. El volumen de la escoria es un producto de las reacciones que ocurren durante la soldadura. Consecuentemente, el operador y la elección de los parámetros de soldadura afecta el desempeño del electrodo más que para los otros electrodos FCAW-S. Si el metal base se encuentra oxidado, la escoria en una pasada simple puede resultar muy fluida, por otro lado se obtiene excelente remoción de la escoria en juntas profundas. Aunque los alambres FCAW T-6 no penetran tan bien como los FCAW-G, en soldaduras de filetes horizontales se obtiene profunda penetración. El sistema de escoria es diseñado para dar muy buenas propiedades de impacto a bajas temperaturas. Se utilizan en simples o múltiples pasadas y en posiciones planas y horizontales. El depósito contiene menos de 0,045% N y más de 0,14%Ti. Este último cumple un rol vital en la fijación del nitrógeno e interrumpe el crecimiento columnar de la ferrita. EXXT-7: Este grupo de electrodos se diseñan para producir depósitos a muy altas velocidades y bajos costos. Son autoprotegidos y operan con cortas extensiones y con DCEN lo que produce transferencia tipo spray y buena penetración. Permiten soldar en toda posición. El sistema de escoria cubre completamente la pileta soldada con altas temperaturas entre pasadas, permite desulfurizar el metal de soldadura, lo cual ayuda a un depósito resistente a fisuras. También se utilizan en simples y múltiples pasadas. El soldador puede manejar el sistema arco/escoria fácilmente de modo de obtener piletas levemente convexas de 2,8mm a 8mm de garganta. El menor diámetro de este grupo 15

23 es de 1,6mm, utilizado para vertical descendente a muy rápidas velocidades de trabajo. Para este diámetro las aplicaciones se superponen con el T-11, siendo el T-7, para iguales condiciones de uso, más económico. EXXT-8: Son autoprotegidos, operan con DCEN y tienen una transferencia de pequeñas gotas, tipo spray. Se utilizan en simples y múltiples pasadas. Las características esenciales de este grupo son: la habilidad de soldar en toda posición, producir temperaturas de transición de Charpy V, de -29ºC o menores, y operar con una velocidad de deposición entre 0,9-2Kg/h con una extensión nominal de electrodo de 19mm. EXXT-9 y EXXT-9M: Los electrodos de esta clasificación son diseñados para usar con CO 2 como gas de protección, sin embargo mezclas Ar-CO 2 (T-5M) se utilizan para mejorara las características de uso, especialmente para soldadura fuera de posición. La composición del gas de protección afecta al electrodo de igual forma que el grupo T- 1 y T-1M. Son diseñados para simple o múltiple pasada. Los diámetros más grandes (>2mm) se utilizan en soldadura de posición plana y en soldaduras de filetes horizontales: Los diámetros menores (<1,6mm) son frecuentemente utilizados en soldaduras en todas posiciones. Las características del arco son esencialmente similares a los electrodos EXXT-1; 1M, podemos decir que se trata de los mismos electrodos pero con un metal de soldadura con mejores propiedades de impacto. Algunos electrodos de esta clasificación requieren que la junta esté relativamente limpia y libre de aceites y óxidos para lograr una soldadura de calidad radiográfica. EXXT-10: Son electrodos autoprotegidos y permiten realizar soldaduras de pasada simple sobre materiales de cualquier espesor en posiciones planas, horizontales y verticales descendentes (hasta 20 grados), pueden utilizarse también para soldar alrededor de una soldadura si se mantiene un ángulo mínimo de 60 grados. Son desarrollados para obtener una máxima velocidad de trabajo cuando se utilizan con equipos automáticos y semiautomáticos y para suministrar un sistema de aleaciones que pueda ser aplicado sobre todos los espesores de aceros aleados. El aluminio se utiliza para fijar nitrógeno y oxígeno. Operan con DCEN y permiten obtener de cm/min de velocidad de trabajo. Presentan una fácil remoción de escoria, la cual cubre 16

24 completamente la pileta. Estos electrodos pueden también aplicarse en forma paralela, con un espaciado entre electrodos no mayor de 9,5mm. EXXT-11: Son autoprotegidos, y operan con corta extensión del electrodo y DCEN, tienen un arco suave (agradable para el soldador) con transferencia tipo spray. El sistema de escoria permite soldadura en toda posición y con alta velocidad. Se proponen para simple o múltiple pasadas y en toda posición. Un cambio en el sistema de escoria reemplaza el fluoruro de calcio por fluoruro de bario. Esto introduce bario dentro del humo, por lo que se deben tomar precauciones en la ventilación. La agradable operación del electrodo requiere de una transferencia spray muy fina que incrementa el contenido de nitrógeno. Mayor nitrógeno requiere de mayor cantidad de aluminio, para evitar porosidad. Mayor aluminio requiere de más carbono consistente con los requisitos de ductilidad del grupo. Por lo que cuando un alambre T-11 se utiliza en placas gruesas bajos condiciones severas de temple, el depósito puede no alcanzar el límite de 22% de ductilidad. Por lo tanto los límites de espesor para multipasadas son de 13mm. En placa gruesa para pasada simple las soldaduras son mejores con el T-8 o los nuevos T-11 con 3,5%Ni E81TG-G. EXXT-12 y EXXT-12M: Los electrodos de esta clasificación son esencialmente electrodos EXXT-1 y EXXT-1M, los cuales han sido modificados para mejorar la tenacidad y tienen menor requerimiento de manganeso para alcanzar los requerimientos del grupo A-1 del código ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX. Esto produce menores valores de tensión y dureza. En cuanto a las características de la soldadura, transferencia del arco y velocidad de deposición también son similares a las de los electrodos del grupo EXXT-1 y EXXT-1M EXXT-13: Son electrodos autoprotegidos y permiten realizar soldaduras de pasada simple, fueron desarrollados para materiales con pobre acceso (por fit-up) en metales finos. Son alambres calmados con aluminio y titanio y contienen substanciales niveles de estabilizadores del arco. Los estabilizadores permiten el uso de muy bajos voltajes de arco (13-15VDCEN) lo que genera un modo de transferencia en corto circuito. Cuando se utiliza con mayores voltajes y velocidades de alambre, se caracteriza por un arco suave y bajo salpicado, y puede utilizarse a velocidades mayores de 216 cm/min. 17

25 Los depósitos son sensibles al temple, es por ello que la mejor aplicación es pasada simple en soldaduras de aceros dulce de ¼ de pulgada o menos de espesor. Las características del electrodo en cuanto a su manejo y limpieza de la junta, lo hacen útil para la pasada de raíz en soldadura de cañerías, sin embargo deben utilizarse en soldadura de cañerías, estos electrodos cuando específicamente son diseñados para tal fin, ya que los mismos tienen menor contenido de aleantes. EXXT-14: Son electrodos autoprotegidos, operan con DCEN, tienen una suave transferencia tipo spray y permiten realizar soldaduras de pasada simple. Se desarrollan para obtener un alto factor de operación en unión de metales finos, por lo que la cantidad de aluminio se mantiene tan alta como sea practicable. Se disponen en diámetros de 0,8mm, y permiten altas corrientes y cortas extensiones así como una mínima escoria consistente en bario y/o estroncio. Estos electrodos no deben utilizarse en soldaduras de pasadas múltiples debido a que el aluminio y carbono alcanzan rápidamente valores muy elevados es por ello que se utilizan hasta espesores de 6,4 mm, en soldadura a tope y hasta 4,8mm de espesor en soldadura solapada. Estos son electrodos adecuados para la soldadura de aceros galvanizados. Cuando la ductilidad del depósito no permite utilizar un electrodo T-14 se deberá usar un electrodo de la clasificación T-11. EXXT-G: Esta clasificación está destinada a electrodos de múltiple pasada no cubierto por la clasificación anterior. Excepto la composición química y las propiedades mecánicas el resto de los requisitos surgen de un acuerdo con el proveedor. EXXT-GS: Esta clasificación está destinada a electrodos para simple pasadas no cubiertos en la clasificación actual. 18

26 Figura 1.2. Clasificación de los electrodos de aceros al carbono para FCAW [12] Tabla 1.2. Requerimientos de protección y polaridad de los FCAW [12] * Acuerdo entre suministros y usuario (b) Sin requerimientos 19

27 Clasificación de los electrodos tubulares para aceros de baja aleación Corresponden a la clasificación dada por ANSI/AWS A , Specification for Low Alloy Steel Electrodes for FCAW, permiten depósitos de soldadura con composiciones químicas y propiedades mecánicas similares a los electrodos SMAW. Son utilizados en soldadura de baja aleación de similar composición química. La figura 1.3 muestra el sistema clasificación. La norma clasifica los electrodos en base a lo siguiente: 1. Cuando el CO 2 se utilice como un gas de protección separado. 2. Tipo de corriente. 3. Posición de soldadura. 4. Composición química del metal de soldadura. 5. Propiedades mecánicas del metal de soldadura. Figura 1.3. Clasificación de los electrodos de aceros aleados para FCAW [12] Los 5 grupos en que clasifica la norma a los electrodos son: EXXT1-X: Se utilizan con CO 2 como gas de protección. Mezclas de Ar y CO 2 se utilizan para mejorar la soldadura fuera de posición. Se utilizan para simple y múltiple pasada, se caracteriza por la transferencia tipo spray, baja pérdida por salpicado, configuración de pileta plana o levemente convexa, y moderado volumen de escoria, el cuál cubre 20

28 completamente la pileta. Muchos de los electrodos de este grupo tienen una escoria rutílica. El electrodo de mayor diámetro ( 2mm) es usado para soldadura en posición plana, y soldadura de filete horizontal, los diámetros menores o iguales a 1,6mm son utilizados para soldadura en toda posición. EXXT4-X: Estos electrodos son autoprotegidos, operan con DCEP y tienen transferencia globular. El sistema de escoria permite desulfurizar el metal de soldadura, lo cual ayuda a un depósito resistente a fisuras y además elevada velocidad de deposición. Se diseñan para baja penetración, en simple y múltiple pasadas, y en juntas de acceso limitado. EXXT5-X: Estos electrodos son diseñados para usar con DCEP y CO 2 como gas de protección, tienen transferencia globular, pueden utilizarse para simple y múltiple pasadas en posición plana y para filetes horizontales. Mezclas de Ar y CO 2 permiten utilizar DCEN en soldadura fuera de posición. Se caracterizan por una transferencia globular, con una configuración de pileta levemente convexa, y una fina escoria, la cuál puede no cubrir completamente la pileta soldada. Los depósitos producidos por estos electrodos tienen mejores propiedades de impacto y resistencia a fisuración que los del tipo T1-X. EXXT8-X: Estos electrodos son autoprotegidos, operan con DCEN. El sistema de escoria permite el uso del electrodo en toda posición de soldadura, y también es diseñado para producir muy buenas propiedades de impacto a baja temperatura en el metal de soldadura y desulfurizar el metal de soldadura a niveles muy bajos, lo cual ayuda a un depósito resistente a fisuras. Pueden ser utilizados en soldadura de simple y múltiple pasadas. EXXTX-G: Se utiliza para clasificaciones nuevos electrodos no previstos anteriormente. 21

29 1.3. Características operacionales y económicas En comparación con la soldadura con electrodos revestidos (SMAW), el FCAW ofrece alrededor de cuatro veces más velocidad de deposición, reducida distorsión y en soldaduras de filete (figura 1.4), las soldaduras son más angostas y con grandes longitudes de gargantas dando la posibilidad de reducir los biseles, logrando así una economía en los diseños ingenieriles de las juntas. En la figura 1.5 se puede ver el diseño de las junta en los dos procesos de soldadura [12]. Figura 1.4. Soldaduras de filete de igual resistencia [12] Figura 1.5. Diseños de juntas recomendados para la soldadura SMAW y OFAW [12] 22

30 En la soldadura con alambre tubular autoprotegido hay flexibilidad para el uso de grandes longitudes de cable de electrodos, lo que facilita el aumento de la tasa de deposición, y la utilización del metal del electrodo es relativamente alto; por otra parte tienen buena tolerancia al viento y no requieren del manejo de equipos de gas. Los FCAW presentan una excelente apariencia del cordón, la soldadura es suave y uniforme; el arco es visible por lo que es fácil de usar; también es capaz de soldar en todas las posiciones y puede soldar una variedad de aceros con un amplio rango de espesores [12]. Por otro lado la composición del fundente en el proceso de soldadura con electrodos tubulares garantiza el modo de transferencia de metal del tipo spray, utilizando el CO 2 como gas de protección, la cual solo se logra en el proceso GMAW cuando se utiliza el argón como protección [12]. Este proceso además de tener todas las ventajas mencionadas anteriormente presenta una serie de desventajas como son: El consumible es más caro a igualdad de peso que los alambres sólidos, excepto para aceros de alta aleación. Está limitado a la soldadura de materiales ferrosos y aleaciones base níquel. El equipamiento es más caro y complejo que el requerido por SMAW, sin embargo el incremento de productividad generalmente compensa esto. Se generan más humos de soldadura comparados con GMAW y SAW. El proceso produce escoria la que debe ser eliminada [12]. En el proceso de soldadura con alambres tubulares [13], el fundente incluido en la carga, tiene funciones similares a las de electrodos revestidos, es decir: -Desoxidar el metal de soldadura debido a la presencia de elementos desoxidantes tales como Al, Mg, Si, K, Mn, Na y Ca. -Transferencia del elemento hacia el metal de soldadura. -El aumento de la tasa de deposición mediante el uso de polvo de hierro. 23

31 -Formar escoria y gas de protección. -Estabilizar el arco. - Lograr la geometría para el cordón Aspectos generales sobre el efecto de la ferrita acicular sobre la resistencia del acero En los últimos años se viene considerando la posibilidad de producir microestructuras de ferrita acicular y/o bainitas como alternativas a la clásica microestructura ferritoperlítica con el fin de mejorar las propiedades mecánicas de los aceros estructurales [14]. La ferrita acicular y la bainita se forman en el mismo rango de temperaturas y mediante el mismo mecanismo de transformación; la principal diferencia entre ambas fases reside en que la nucleación de bainita ocurre en los límites de grano de la austenita, mientras que la nucleación de ferrita acicular se inicia en las inclusiones presentes en el acero. La bainita presenta una morfología de paquetes compuestos por placas paralelas con desorientaciones cristalográficas bajas, mientras que la morfología de la ferrita acicular es por lo general más caótica con placas orientadas en diferentes direcciones [15]. Como se sabe, la tenacidad de un acero depende entre otros factores de la densidad de juntas de alto ángulo presentes en su microestructura ya que estas juntas pueden deflectar considerablemente las grietas frágiles, llegando incluso a detener su propagación si el tamaño de la misma no excede un tamaño crítico [16]. Generalmente se atribuye a la ferrita acicular una mayor densidad que las microestructuras bainíticas y por tanto una mejor tenacidad [17]. La unidad microestructural que controla la tenacidad de una microestructura bainítica ha sido identificada por algunos autores con el paquete bainítico [17, 18, 19]. Sin embargo, debido a su mayor complejidad, en las microestructuras de ferrita acicular no se ha podido hasta ahora definir de forma precisa y caracterizar esta unidad microestructura. Entre los parámetros a determinar para conseguir producir industrialmente estructuras aciculares se encuentra la composición química de los aceros, así como las prácticas 24

32 de desoxidación, de deformación en caliente y velocidades de enfriamiento más adecuadas Formación de la ferrita acicular La ferrita acicular se asocia principalmente con las soldaduras, donde su formación se ve favorecida por la alta densidad de óxidos, así como por granos de dimensiones apreciables de austenita generados ambos durante el proceso de soldadura. En las soldaduras se reconoce el efecto beneficioso que la ferrita acicular tiene en las propiedades mecánicas [20]. Desde hace unos años, se vienen haciendo esfuerzos para producir microestructuras aciculares no sólo en las soldaduras de aceros estructurales sino también en el material base con el propósito de mejorar su resistencia y tenacidad [21, 22, 23]. La ferrita acicular se considera también como una alternativa cuando no es posible, por las condiciones del proceso, lograr un refinamiento suficiente del tamaño de grano de austenita durante la laminación en caliente del acero. En la figura 1.6, se muestra la estructura típica obtenida en un cordón de soldadura en los aceros al carbono y de baja aleación [24]. Estas estructuras se clasifican de la siguiente forma: -Ferrita de contorno de grano (A). -Ferrita poligonal (B). -Ferrita de Widmanstätten (C). - Ferrita Acicular (D). -Bainita (E y F). 25

33 Figura 1.6. Estructura típica del cordón de soldadura en los aceros al carbono y de baja aleación [24] De estas estructuras, la ferrita acicular, es la más conveniente en los casos que se requiera aumentar la ductilidad, como ya se ha señalado. La formación de la ferrita acicular depende de varios factores, donde la composición del metal del depósito y las inclusiones, son los predominantes, aunque también la velocidad de enfriamiento tiene también determinada importancia. En la figura 1.7, se presenta de forma esquemática la transformación del grano austenítico durante el enfriamiento del cordón en el caso de la soldadura de los aceros al carbono y de baja aleación. Figura 1.7. Evolución esquemática del grano de austenita durante el enfriamiento en la soldadura de los aceros al carbono y de baja aleación [24] 26

34 Como se puede apreciar en la figura 1.7., en los límites del grano austenítico durante el enfriamiento, comienza la formación de la fase ferrítica, denominada ferrita de contorno de grano a partir de la cual se va formando la del tipo de Widmanstätten a temperaturas inferiores, orientada hacia las zonas centrales del grano. La presencia de inclusiones no metálicas, constituye un factor esencial para la formación de la ferrita del tipo acicular en el la zona central del grano, tal como se puede observar en la figura 1.7, este fenómeno, se puede observar en la micrografía que se muestra en la figura 1.8, presentada con dos resoluciones diferentes. Figura 1.8. Microestructura del cordón donde aparece la formación de la ferrita acicular a partir de las inclusiones [24] Como se señalado, el efecto de las inclusiones de óxidos de diferente naturaleza constituyen los centros para la nucleación de la ferrita acicular, por esta razón la presencia del oxígeno en el baño fundido, puede también favorecer la formación de esta fase. En la figura 1.9, se presenta los resultados obtenidos [24], durante la soldadura en atmósfera de gases protectores utilizando oxígeno en la mezcla respecto a la cantidad de ferrita acicular. En este caso se puede observar que la cantidad de ferrita acicular en el cordón, alcanza los valores máximos cuando la cantidad de oxígeno esta aproximadamente en los valores de 2,5 % del volumen. 27

35 Figura 1.9. Efecto del oxígeno en la mezcla protectora sobre la cantidad de ferrita acicular en el depósito [24] Este efecto del oxígeno en la mezcla, sobre de la cantidad de ferrita en el depósito de soldadura, se corresponde también con los valores de resistencia mecánica del metal depositado tal como se puede observar en la figura 1.10, todo lo anterior corrobora la relación entre oxígeno, ferrita acicular y tenacidad del metal depositado [25, 26]. Figura Comportamiento de la resistencia al impacto del depósito en función de la cantidad de oxígeno en la mezcla protectora [25] 28

36 En la figura 1.11, se muestra de forma esquemática la formación de las diferentes fases, en el cordón de soldadura durante el enfriamiento, en el intervalo de temperatura desde ºC según el efecto que pueden tener los diferentes factores en la formación de la ferrita acicular [27, 28]. Como se puede apreciar un aumento del tamaño de grano austenítico conjuntamente con un contenido significativo de elementos de aleación favorece a la transformación perlítica, sin embargo existe una relación entre elementos de aleación, tiempo de enfriamiento, contenido de oxígeno y tamaño de grano donde se logra la formación de un volumen considerable de ferrita acicular. Figura Representación esquemática del efecto de los diferentes factores en la formación de la ferrita acicular [28] Por otra parte, estudios realizados [29], han demostrado que determinadas cantidades de elementos, tales como el níquel y manganeso, conducen a la formación de la ferrita acicular, mejorando la resistencia y la tenacidad de los depósitos de soldadura. El resultado respecto al efecto del níquel y el manganeso en la formación de la ferrita acicular se puede apreciar en la figura