Soldadura MIG/MAG con transferencia metálica por corto circuito aplicada con oscilación del arco

Transcripción

1 Soldadura MIG/MAG con transferencia metálica por corto circuito aplicada con oscilación del arco Erick González y Víctor Vergara Universidad de Antofagasta, Chile RESUMEN Es objetivo de este trabajo verificar la influencia de la oscilación mecánica del arco en uniones con bisel en V contribuyendo a mejorar las operaciones de mantenimiento. Para la realización de este estudio se montó un banco de ensayos automatizado en el laboratorio de soldadura del Departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Antofagasta, compuesto de una máquina de soldar sinérgica, sistema de traslación de la pistola, sistema de adquisición de datos y cilindros de gases. Se realizaron cordones en la posición plana, sobre chapas de acero SAE 1016 de mm con bisel en V de 60 y abertura de raíz de 3 mm. Durante los ensayos se mantuvo constante la distancia tobera pieza, la velocidad de avance de la pistola, caudal de gas de protección, inductancia y diámetro de alambre. Se varió la frecuencia de oscilación de la pistola entre 0,5 y 1,5 Hz y la amplitud de la oscilación entre 1,3 y 17 mm. Los cordones se cortaron de forma transversal para la realización de la metalografía. Los resultados indican que, la oscilación del arco se presenta como una buena alternativa para eliminar tiempos de ejecución y material de aporte contribuyendo a mejorar las operaciones de mantenimiento. Cuando se realizó la unión sin oscilación del arco se utilizaron 4 pases, sin embargo, con oscilación del arco solamente fueron necesarios 3 pases para completar la unión. A través de este estudio se pudo verificar que la oscilación triangular permite obtener cordones de soldadura con un mayor ancho, un buen aspecto superficial y sin socavaciones, útil en la operación de recubrimientos metálicos. Las metalografías revelaron el perfil de penetración de los cordones de soldadura donde es posible observar la disminución de la penetración y de la zona afectada térmicamente (ZAT) cuando es utilizada la oscilación del arco. Con respecto al grado de dilución los mayores valores son obtenidos cuando se oscila el arco. 1

2 INTRODUCCIÓN La soldadura de mantención es un medio muy utilizado para prolongar la vida útil de las piezas de las máquinas y equipamientos. Promueve la economía en las industrias, debido a la reducción de tiempo en las paradas de maquinarias y disminuye la necesidad de mantener grandes stock de repuestos (Weber et al., 2006). Las diferencias entre la soldadura de mantención y producción, son factores importantes a tener en consideración al momento de realizar un estudio. En la soldadura de producción, las operaciones son realizadas en condiciones favorables, con equipamientos adecuados, composición química del metal base conocida y con los parámetros adecuados para trabajar. Mientras que en la soldadura de mantención, al contrario de la soldadura de producción, existen restricciones y limitaciones que se agravan con la rapidez con la que debe ser efectuada la recuperación del componente. Por ello siempre se está en busca del mejoramiento de los procesos de soldadura, que en el caso de la mantención se prioriza la disminución de los tiempos necesarios para realizar las operaciones de recuperación. El proceso de soldadura MIG/MAG convencional es el que utiliza la forma más simple de equipamiento, entregando al mismo tiempo grandes resultados con alta productividad. La fuente de energía es del tipo tensión constante, siendo la corriente una variable dependiente fundamentalmente de la velocidad de alimentación de alambre y de sus características físicas y químicas. Luego, las variables independientes, que son previamente ajustables, son la tensión y la velocidad del alambre-electrodo. De acuerdo con el nivel de estas variables y también en dependencia del tipo de gas de protección, el proceso presenta diferentes configuraciones de transferencia metálica (Gohr, 2002). Las transferencias metálicas son el método por el cual el material de aporte es depositado a la poza fundida, destacándose las transferencias por corto circuito, globular, spray y pulsada. La transferencia por corto circuito se presenta para una tensión de arco suficientemente baja (corta longitud de arco) que permite el contacto con la poza de fusión del metal líquido en la punta del electrodo antes que ocurra el desprendimiento. Esta forma de transferencia es la más usada en la soldadura con baja corriente. La figura 1 ilustra el modo de transferencia por corto circuito. Este tipo de transferencia metálica es muy utilizada en soldadura de chapas finas, debido a que posee una baja zona afectada térmicamente (ZAT) disminuyendo el refinamiento microestructural del material base, además de permitir soldar en toda posición. Estas características son idóneas para la soldadura de mantención. Figura 1 Secuencia de la separación de la gota metálica en la transferencia por corto circuito. Adaptado de (Gohr, 2002) 2

3 La oscilación del arco es el producto de la oscilación mecánica de la pistola de soldar o de la oscilación magnética del arco voltaico, el cual es realizado perpendicularmente a la trayectoria del desplazamiento, que permite el relleno de las uniones en un único pase o con una reducción del número de pases (Broering, 2003). La oscilación en la soldadura ha sido empleada por mucho tiempo, porque intuitivamente se piensa que produce cordones más anchos permitiendo de esta manera cubrir más área en menos tiempo. Pero estudios realizados demuestran que no solo afecta en la geometría del cordón, sino también la microestructura de la soldadura. Kou (2003) estudió la estructura de solidificación en soldaduras de aleaciones de aluminio 2014 realizadas con la técnica de oscilación del arco. Se observó en este estudio que el espaciamiento de los brazos dendríticos se reduce significativamente, cuando la oscilación transversal del arco es aplicada a baja frecuencia. Esta reducción en el tamaño del subgrano ha contribuido significativamente para mejorar la resistencia y la ductilidad de la soldadura. En la figura 2 se muestra el efecto de la oscilación magnética en la soldadura de aluminio 2014 sobre el agrietamiento durante la solidificación, donde se aprecia una microestructura de granos columnares alternados obtenida para oscilaciones de baja frecuencia. Estos granos columnares que alternan su orientación a intervalos regulares, fuerzan a la grieta a cambiar de dirección periódicamente, dificultando la propagación de la misma. Con base a lo expuesto, este artículo tiene como objetivo demostrar que la oscilación del arco es una real alternativa en la optimización de los tiempos de producción y la diminución en las probabilidades de ocurrencias de fallas en las soldaduras de mantención. Esto a través del análisis de oscilogramas de corriente y tensión del arco, medición de los parámetros geométricos, análisis microestructural, además de los ensayos de impacto y microdureza. Al mismo tiempo se realizarán comparaciones entre el proceso de soldadura MIG/MAG con y sin oscilación en uniones biseladas en V. Figura 2 Efecto de la oscilación transversal del arco (1Hz) en el agrietamiento durante la solidificación en el proceso GTAW soldando aluminio (Kou 2003) 3

4 METODOLOGÍA Para la realización de este estudio fue necesario el montaje de un banco de ensayos, en el departamento de Ingeniería Mecánica de la Universidad de Antofagasta, que permitió desarrollar la investigación con un control sobre todas las variables que conforman el ciclo de soldadura (Figura 3). El banco de ensayos está compuesto por: Máquina de soldar sinérgica MIG/MAG, sistema de traslación y oscilación de la pistola de soldar, gases de protección y sistema de adquisición de datos portátil Máquina de soldar; 2. Pistola de soldar; 3. Sistema de avance y oscilación de la pistola; 4. Gases de protección; 5. Sistema de adquisición de datos; 6. Sensor de corriente. 2 Figura 3 Banco de ensayos montado para el departamento de Ingeniería Mecánica (UA) La máquina de soldar sinérgica MIG/MAG se desarrolló para operar en las opciones MIG/MAG convencional, Sinérgico, pulsado y pulsado térmico. El sistema de avance de la pistola se destaca por la oscilación de la pistola de soldar, en diferentes formatos, teniendo completo control sobre la frecuencia y amplitud de la oscilación. El intervalo de operación de la velocidad de soldadura que posee este equipo es de 5 a 160 cm/min. El sistema de adquisición de datos permite adquirir señales de fuentes de soldaduras en tiempo real entregando gráficos de corriente, tensión, velocidad de alambre y flujo de gas, además proporciona análisis estadísticos como desviaciones, histogramas, tablas con valores medios. Sustrato. Los ensayos se realizaron en chapas de acero bajo carbono SAE 1016 con dimensiones de 150x200x10 mm. La tabla 1 muestra su composición química. Tabla 1 Composición química del acero SAE 1016 SAE %C %Mn %P %S %Si %Cu ,153 0,782 0,009 0,014 0,228 0,005 Norma 0,13-0,18 0,6-0,9 0,04 máx 0,05 máx - - El sustrato utilizado para los ensayos de unión de chapas biseladas, tuvo que ser conformado según muestra la figura 4. 4

5 Figura 4 Dimensiones de las probetas de uniones de chapas biseladas Material de aporte. El material de aporte utilizado fue el alambre ER70S-6 de 1,2 mm de diámetro. La tabla 2 muestra la composición química. Tabla 2 Características y composición química del material de aporte Identificación Especificación Diámetro Material (AWS) (mm) Acero Carbono AWS ER 70S-6 1,2 Composición química (% en peso) C (0,7); Mn (1,58); Si (0,89); S (0,017); P (0,02); Al (0,001); Cu (<0,45); Fe (balan.) Gases de protección. En los experimentos se utilizó como gas de protección la mezcla (80% Ar + 20% CO2), conocida comercialmente como Indurmig 20, con un caudal fijo de 18 l/min, medido mediante un flujómetro. Metodología experimental El procedimiento de aceptación y rechazo de las probetas realizadas, se basó en el aspecto visual del cordón de soldadura, la existencia de posibles discontinuidades en la soldadura como socavaciones, exceso de salpicaduras, grietas superficiales, porosidades y falta de penetración. Análisis de la geometría de las probetas. Las probetas se cortaron en el sentido transversal al cordón de soldadura, y sometidos a una preparación metalográfica. El ataque químico utilizado fue Nital al 3%. Determinación del grado de dilución. Con el empleo de la lupa estereoscópica se obtuvieron imágenes macrográficas de la sección transversal de las probetas para la determinación del grado de dilución mediante la medición de las áreas. Perfil de microdureza. El perfil de microdureza Vickers se midió en la sección transversal de la probeta según la norma ASTM E92. Determinación de la energía absorbida en impacto. La energía absorbida en impacto se realizó a temperatura ambiente en probetas con entalle según norma ASTM E23. 5

6 RESULTADO Y DISCUSIÓN Primeramente se trata de probar el sistema de oscilación mecánica en uniones de chapas biseladas, según el plan de ensayos de la tabla 3. La figura 5 presenta la unión de dos placas de acero a través de la oscilación mecánica del arco, siendo necesario tan solo tres pases para completar la unión. En la figura 5b se muestra la unión de chapas biseladas, pero a través del proceso convencional (sin oscilación), bajo las mismas condiciones que con oscilación mecánica, pero se observa que 3 pases no son lo suficiente para completar la unión satisfactoriamente. Tabla 3 Variables y parámetros de soldadura en la comparación del proceso MIG/MAG con oscilación y sin oscilación en chapas biseladas Ensayo Con oscilación Sin oscilación Pase h Va Vs Uref A f Tp1 Tp2 [mm] [m/min] [cm/min] [V] [mm] [Hz] [s] [s] Raíz ,5 0,8 0,1 0, ,6 0,1 0, Raíz h: abertura de raíz; Va: velocidad de alambre; Vs: velocidad de soldadura; Uref: tensión de referencia; A: amplitud de oscilación; f: frecuencia; Tp: tiempo de parada lateral. (a) (b) Figura 5 Aspecto superficial y macrografía de las uniones soldadas (a) con oscilación (b) sin oscilación La oscilación del arco tiene un efecto significativo sobre la zona afectada térmicamente (ZAT) en la unión de chapas biseladas. Al oscilar el arco disminuye la ZAT en comparación al proceso sin 6

7 oscilar, esto debido a que la fuente de calor (en este caso el arco voltaico) posee, además de la velocidad de avance (Vs), la velocidad de oscilación (Vosc), permitiendo una mejor distribución del calor dentro de la unión biselada. La disminución de la ZAT es de gran interés, debido a la influencia que posee sobre las fallas que ocurren en el material base, por motivo del refinamiento microestructural presente en esta zona. Un factor que se encuentra directamente relacionado con la ZAT, es la energía impuesta a la pieza (Q). En la tabla 4 se muestran las energías impuestas del proceso con y sin oscilación. Se aprecia una drástica disminución de la energía impuesta a la pieza al oscilar el arco, lo que también explica el por qué de la disminución tan drástica de ZAT para este caso. Tabla 4 Factores alterados afectados por la oscilación del arco Unión Q [kj/cm] D [%] AF [%] Oscilada 1, ,98 Convencional 7,77 21,3 4,28 Q: Energía impuesta a la pieza; D: dilución; AF: ferrita acicular El porcentaje de dilución en uniones biseladas es mucho mayor en uniones osciladas (tabla 4). La explicación de este aumento se basa en que al oscilar la pistola de soldar, el arco funde más material base debido a que posee un mayor contacto con los biseles, lo que produce que el material de aporte se mezcle con una mayor cantidad de material base, resultando en el aumento de la dilución. Una microestructura deseada en las uniones soldadas es la ferrita acicular (AF), debido al mejoramiento de las propiedades mecánica que ella conlleva. La tabla 4 muestra la estimación porcentual de contenido de ferrita acicular en el cordón de terminación de las uniones soldadas, en donde resulta con mayor procentaje la unión con oscilación del arco. Los resultados del ensayo de impacto, realizado según norma ASTM E23, sobre las chapas biseladas unidas con oscilación (OSC) y con el proceso convencional (CONV), se muestran en la tabla 5. Tabla 5 Energía absorbida en impacto a temperatura ambiente según norma ASTM E23. Muestra Energía [J] CONV 1 113,91 CONV 2 115,02 CONV 3 119,01 OSC 1 96,051 OSC 2 106,91 OSC 3 117,06 CONV: Sin oscilación; OSC: Con oscilación Un analisis de varianza ANOVA, determinó que no hay diferencias estadísticamente significativas entre las medias de las 2 variables con un nivel del 95% de confianza. Esto quiere decir que estadísticamente la oscilación no tuvo influencia alguna en la tenacidad de la unión soldada. El efecto que tiene la oscilación sobre la dureza de la unión soldada también fue estudiado. En la figura 6 se muestran los perfiles de microdureza para ambos procesos de unión, realizado según la norma ASTM E92. El análisis de varianza ANOVA, arrojó nuevamente que no hay diferencias estadísticamente significativas entre las medias de las 2 variables con un nivel del 95% de confianza. Concluyendo que la oscilación no tiene estadísticamente un efecto sobre la dureza de la unión. 7

8 CONCLUSIONES Figura 6 Perfil de microdureza de la unión soldada La oscilación en uniones biseladas, disminuye la cantidad de pases necesarios para realizar la unión, implicando menores tiempos de producción, contribuyendo de esta forma a mejorar las operaciones de mantenimiento. La técnica no posee una limitación de proceso de soldadura ni del tipo de consumible a utilizar. De hecho, actualmente la oscilación del arco es muy utilizada en la unión multipases de tuberías de gran diámetro, recubrimientos metálicos en recuperación de turbinas y uniones de chapas de grandes espesores. La zona afectada térmicamente se vio reducida drásticamente con la oscilación del arco. Esto se justifica debido a que la fuente de calor posee, además de la velocidad de avance (Vs), la velocidad de oscilación (Vosc), permitiendo una mejor distribución del calor dentro de la unión biselada. Los ensayos de impacto realizados, muestran que no existe una diferencia estadísticamente significativa en la tenacidad de las uniones soldadas bajo la técnica con y sin oscilación. Esto se debe a la similitud de las microestructuras de las uniones biseladas. En términos generales, la oscilación no tuvo un efecto estadísticamente significativo sobre la dureza de la unión soldada. El estudio muestra que las operaciones de mantenimiento son beneficiadas por los menores tiempos de ejecución, repetibilidad, calidad y menos posibilidades de producir defectos en las uniones soldadas o en las aplicaciones de recubrimientos metálicos. AGRADECIMIENTOS Los autores de este trabajo agradecen el apoyo financiero de la Beca fondo de investigación Tesis de grado, otorgada por la Universidad de Antofagasta y al Fondo de Innovación para la Competitividad (FIC). REFERENCIAS Broering, C. E. (2003) Desenvolvimento de sistemas para a automação soldagem e corte térmico. Dissertação de mestrado. UFSC, Florianópolis. Gohr, JR. (2002) Novos métodos de controle da soldagem, Tese Doutorado em engenharia, Universidade Federal de Santa Catarina, Florianópolis. Kou, S. (2003) Welding Metallurgy, John Wiley & Sons Inc publication, second edition. Weber, J.W.; Filho, D.; Alexandria, J. P.; Peixoto, J. A.; Araujo, P. (2006) Manutenção, Apostila, Essel eletromecânica. 8