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Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N1,
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SOLDADURA DE UN ACERO INOXIDABLE DPLEX 2205 POR GMAWMEDIANTE EL
USO DE LA TCNICA DE ARCO PULSADO
C. Porta, V. Ignoto, S. Cerpa, J. B. Len, A. QuinteroEscuela de
Ingeniera Metalrgica y Ciencia de los Materiales. Universidad
Central de Venezuela.
Caracas- VenezuelaE-mail:
[email protected]@[email protected]
Resumen
La soldadura de los aceros inoxidables dplex es una aplicacin de
alto inters tecnolgico debido a su gran versatilidad yutilidada
nivel industrial. En este trabajo se realiza la soldadura de lminas
de 5 mm de acero inoxidable dplex 2205 por elprocesode soldadura de
arco con proteccin gaseosa (GMAW), mediante la tcnica de arco
pulsado. Adicionalmente sepresentaun procedimiento, que puede ser
utilizado en cualquier tipo de acero, para determinar una zona de
parmetros desoldadura,dentro de la cual se producen bajos aportes
calricos, lo que garantiza una adecuada unin, sin modificar de
manerasignificativael balance de fases microestructurales
(ferrita/austenita) y a la vez no se producen cambios en las
propiedadesmecnicasy de resistencia a la corrosin del material. En
conclusin se logra un proceso ptimo de soldadura de lminas
deacero2205 en un solo pase por GMAW-P, de bajo aporte calrico, con
una zona afectada por el calor (ZAC) estrecha,
obteniendobuenaspropiedades mecnicas y disminuyendo el riesgo de
aparicin de fases perjudiciales () en lajunta soldada [1].
Palabras clave: Dplex, 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
industriallevel, 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 conditionsofweld
is deterrnined. In this procedure, low caloric contributions take
place, which guarantees a suitable union withoutmodifyingin
significant way the balance of microstructural phases
(ferrite/austenite) during the process and simultaneously
nochangesin the mechanical and corrosive properties take place.
Among the main conclusions, it is obtained a low
caloriccontributionprocess, in one single pass for a 5 mm-thickness
sheet with narrow heat affected zones in comparison
withconventionalwelding processes obtaining good mechanical
properties and welded joints that do not show detrimental
phases(0')[1].
Key words: Duplex, GMA W, Pulsed Arc, 2205, ZAC.
1. Introduccin.
Enel proceso soldadura de arco con proteccin gaseosaenmodode
transferencia pulsada (GMAW-P) se obtiene uncontrolms preciso de la
transferencia metlica con valoresdecorrientepromedio ms bajos y en
consecuencia un aportecalricomenor. Esta mejora permite transferir
el metal deaportepor rociado sobre el metal base en forma de pulsos
decorrienteque se mantienen durante un tiempo especifico;por lo
tanto no se produce un dao microestructuralsignificativosi
comparamos con mtodos de transferenciaconvencional, los cuales
aportan una gran cantidad deenergade forma continua. Otra de las
grandes ventajas es laversatibilidaddel proceso pudiendo ejecutar
la soldaduraencualquierposicin inclusive sobre cabeza. En este
trabajoserealiza la soldadura de arco con proteccin gaseosa en
modo de arco pulsado para un acero inoxidable dplex 2205(UNS
31803). Este acero es susceptible a la formacin defases
perjudiciales durante un inadecuado proceso desoldadura, lo que se
traduce en una disminucin en laspropiedades mecnicas y resistencia
a la corrosin del mismo.Para realizar este estudio se han obtenido
los parmetros desoldadura (corriente de pico (Ip), corriente de
base (lb),tiempo de pico (Tp), tiempo de base (Tb) y velocidad
dealimentacin (Wf)) siguiendo el mtodo desarrollado por M.Amin [2]
y luego corregido por S. Rajasekaran [3]. Segneste mtodo son
utilizados tres criterios para determinar unazona de trabajo
delimitada, dentro de la cual los parmetrosencontrados son los
adecuados para ejecutar la soldaduraentre el metal base y el metal
de aporte.
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2.3 Determinacin de los parmetros de soldadura.
Durante el proceso de soldadura se mantuvieronconstantes los
siguientes parmetros:
Distancia desde la tobera a la lmina: 15 rnm. Flujo de gas
protector: 15 L/min. Polaridad directa con corriente positiva en
el
electrodo. Orientacin del electrodo: 0 respecto a la
vertical.
C. Porta y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y
Materiales.
2. Procedimiento Experimental.
2.1 Materiales.
Se utilizaron lminas de 5 rnm de espesor de un aceroinoxidable
dplex 2205 (UNS 31803), la soldadura se hizo atope conjuntas de
bisel a 60 dejando 2 rnm de taln y 2 rnmde separacin de raz. El
material de aporte empleado fuealambre macizo de 1,2 rnm de dimetro
del tipo ER 2209. Latabla N 1 muestra la composicin qumica del
material deaporte y la del metal base. Como gas de proteccin se
empleuna mezcla de gases constituida por 2 % nitrgeno, 2 % deoxgeno
y balance argn.
2.2 Equipos de soldadura.
Se utiliz una mquina multiproceso MTE DIGITEC 300diseada por
LABSOLDA \Brazil. Para este estudio la fuentede energa fue operada
en modo de arco pulsado y en modode arco convencional. Como
caracterstica adicional, elequipo de soldadura tiene incorporado un
osciloscopio digi-tal conectado a un computador que permite la
adquisicinde oscilogramas digitales, mediante el programa
OSCILOSversin 4.0. Se sold bajo distintas condiciones paraconstruir
grficas de trabajo que permitieron determinar lascondiciones
ptimas. Estos datos permiten hacer unseguimiento a los diferentes
parmetros de soldadura y a lavez el comportamiento del arco durante
el proceso. Ladeterminacin del calor aportado fue posible mediante
losdatos de corriente y de voltaje efectivos [4], que
sonimportantes para la estimacin del aporte calrico [5]. Unsistema
de avance semiautomtico fue utilizado para realizaravances de la
pistola sobre el material base de maneracontrolada.
Tabla N 1 Composicin qumica del material base y de aporte.
Elemento M. Aporte M..Base(%) (ER2209) (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
El mtodo desarrollado por Amin [2] y las correccionesposteriores
realizadas por S. Rajasekaran [3] permitieronobtener una grfica por
ensayo y error de los registros desoldadura en arco convencional y
por arco pulsado. Estosvalores fueron registrados a cuatro
velocidades dealimentacin distintas y el criterio utilizado para
tomar dichospuntos, fue que la velocidad de quemado del electrodo
fueseigual a la velocidad de alimentacin de dicho alambre,crendose
as un arco constante y estable. En la figura 1 seobservan dos
curvas (convencional y pulsado). Lainterseccin de ambas determina
la velocidad mnima dealimentacin para obtener transferencia de tipo
rociado(spray) y el valor de corriente promedio necesario, por
encimadel cual, se debe mantener la corriente media en el
procesopor arco pulsado. El valor de corriente promedio fue de
146,2A. En cuanto a la velocidad de alimentacin utilizada, en
esteestudio se consider el valor por encima del obtenido en elpunto
de interseccin; siendo la velocidad empleada de 5 mimino
400
350
~ 300.
250'""CCII 200E.l!!c: 150.~~o 100(.)
50
O, ,
O
Convencional
-- Pulsado
Interseccin 146.2 A
! i
2 4 6 8 10
Velocidad de alimentacion Wf (M/Max)
Fig. l. Criterio del desprendimiento de gota para el metal de
aporte(ER 2209).
2.3.1 Tiempo de desprendimiento de gota.
Se tom un registro de corriente y de voltaje en arcoconvencional
a una velocidad de alimentacin de 5 m/min,luego se representan
graficamente (Fig. 2), para estimar losintervalos de
desprendimiento de gota
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23
200..-----------------50
180
valor promedi o = 165.8 P. 40
35
2:30 eo
.;
25 e~
20
15
1050
~ .-TIempo de desprendimiento de gota45
160
140
~ 120
60
40
20
o+-----~------~----~----~------+O 10 20 30 40TIempo [rns]
Fig.2. Registro de corriente y voltaje en modo convencional a
5m1mino
Posteriormente se elabor un histograma de frecuenciapara los
tiempos de desprendimiento de gota (Fig. 3) Ydelmismo se obtiene la
mayor frecuencia de desprendimiento.
25
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Materiales.
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Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23
Nl.
La funcin corriente eficaz y voltaje eficaz se calculanpara
transferencia en arco pulsado segn la ecuacin (4) defuncin
efectiva.
F.ejicaz =
Con los valores calculados de corriente eficaz, voltajeeficazy
la velocidad de avance se determina el aporte calricobruto en el
proceso de arco pulsado (ecuacin 5).
V* 1* 60Aportecalrico = (5)
Va * 1000
%DILUCION= 4netalbasefondido *100 (6)Atotalmetatiepositado
TablaW 3. Valores de Iefieaz, Vefiea" aporte calrico y % de
dilucinparalas condiciones evaluadas.
1 eficaz V eficaz Aporte Dilu-
(A) (V) calrico cin(KJ/rnm) (%)
Condicin1 200,0 26,2 1,57 50,76Condicin2 164,2 24,1 1,19
48,29Condicin3 172,3 26,5 1,37 54,63Condicin4 171.3 24,8 1.27
55.62Condicin5 ]76.8 25,2 1.33 48,86Condicin6 177,9 24,2 1,29
56,20Condicin7 185,7 26,5 1,48 54,28Condicin8 190,] 23,2 1,32
45.27
Lacondicin 6 fue la seleccionada para realizar un
cupndepruebadebido a que el porcentaje de dilucin
obtenido,fueelmayor de todas las condiciones de soldadura
evaluadasenestetrabajo. La figura 6 muestra la micrografa de la
juntasoldada,donde se observan las tres zonas tpicas de
lajunta.Nteselo estrecho de la zona afectada por el calor
(ZAC).
En la figura 7 se observa en detalle la microestructuratantode
la zona afectada por el calor como de la zona delmetalde aporte, en
ambos casos la muestra esta compuestaporregiones alargadas de
austenita en una matriz ferrtica.Ambasfases estn libres de fases
perjudiciales como la faseo,oporlo menos no se aprecian de manera
evidente. En unestudioanterior [6] para un proceso similar (GTAW)
fueronempleadosvalores de aporte calrico mayores al
utilizadoenesteestudio. En ese trabajo se indica la importancia
demantenerbajo aporte calrico durante el proceso.
,...
25
Fig. 6. Fotomicrografa del cupn soldado bajo la condicin 6.
Fig. 7. a) Detalle de la zona afectada por el calor 500X,
b)Detalle del metal de aporte 500X
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26 C. Porta y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y
Materiales.
4. Conclusiones.
1.- El acero inoxidable dplex 2205 debe ser soldado conaportes
calricos bajos pues altos aportes de energadan lugar a la aparicin
de fases perjudiciales en lasuniones soldadas.
2.- Se debe trabajar a una velocidad mayor a los 4 mlmin.
develocidad de alimentacin del alambre para conseguirtransferencia
rociada en arco pulsado y los valores decorriente media deben ser
superiores a 146,2 A paragarantizar estabilidad del arco y buena
calidad de lasoldadura.
3.- Este mtodo permite realizar un proceso de soldadura enun
solo pase para chapas de 5 mm en cualquier posicinde soldadura,
inclusive en la posicin sobre cabeza.
4.- Las condiciones encontradas fueron nicamente parauna
velocidad de alimentacin de 5 mlmin. Sin embargoel valor de la
pendiente de 1,8 puede ser utilizado en laconstruccin de cualquier
zona paramtrica a cualquiervelocidad mientras el dimetro del
alambre sea de 1,2 rnm.
5.- No se observ presencia de ninguna otra fase distinta alas
constituyentes elementales del acero dplex 2205(austenita-ferrita).
Esto garantiza desde el punto de vistamicroestructural que este
mtodo fue adecuado para lasoldadura del acero DSS 2205.
6.- Se encontr un adecuado balance de fases en la uninsoldada,
buena recristalizacin de la austenita y unadecuado crecimiento de
la misma.
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