Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°1, 21 - 26 21

SOLDADURA DE UN ACERO INOXIDABLE DÚPLEX 2205 POR GMAWMEDIANTE EL USO DE LA TÉCNICA DE ARCO PULSADO

C. Porta, V. Ignoto, S. Cerpa, J. B. León, A. QuinteroEscuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales. Universidad Central de Venezuela.

Caracas- VenezuelaE-mail: cporta@hotmail.com.leons@ucv.ve.quintera@.ucv.ve

Resumen

La soldadura de los aceros inoxidables dúplex es una aplicación de alto interés tecnológico debido a su gran versatilidad yutilidada nivel industrial. En este trabajo se realiza la soldadura de láminas de 5 mm de acero inoxidable dúplex 2205 por elprocesode soldadura de arco con protección gaseosa (GMA W), mediante la técnica de arco pulsado. Adicionalmente sepresentaun procedimiento, que puede ser utilizado en cualquier tipo de acero, para determinar una zona de parámetros desoldadura,dentro de la cual se producen bajos aportes calóricos, lo que garantiza una adecuada unión, sin modificar de manerasignificativael balance de fases microestructurales (ferrita/austenita) y a la vez no se producen cambios en las propiedadesmecánicasy de resistencia a la corrosión del material. En conclusión se logra un proceso óptimo de soldadura de láminas deacero2205 en un solo pase por GMA W-P, de bajo aporte calórico, con una zona afectada por el calor (ZAC) estrecha, obteniendobuenaspropiedades mecánicas y disminuyendo el riesgo de aparición de fases perjudiciales (ó) en lajunta soldada [1].

Palabras clave: Dúplex, GMA W, arco pulsado, 2205, ZAC.

Abstract

Duplex stainless steel welding is a process of high technological interest due to its great versatility and use at 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. Introducción.

Enel proceso soldadura de arco con protección gaseosaenmodode transferencia pulsada (GMAW-P) se obtiene uncontrolmás preciso de la transferencia metálica con valoresdecorrientepromedio más bajos y en consecuencia un aportecalóricomenor. 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 daño microestructuralsignificativosi comparamos con métodos de transferenciaconvencional, los cuales aportan una gran cantidad deenergíade forma continua. Otra de las grandes ventajas es laversatibilidaddel proceso pudiendo ejecutar la soldaduraencualquierposición inclusive sobre cabeza. En este trabajoserealiza la soldadura de arco con protección gaseosa en

modo de arco pulsado para un acero inoxidable dúplex 2205(UNS 31803). Este acero es susceptible a la formación defases perjudiciales durante un inadecuado proceso desoldadura, lo que se traduce en una disminución en laspropiedades mecánicas y resistencia a la corrosión del mismo.Para realizar este estudio se han obtenido los parámetros desoldadura (corriente de pico (Ip), corriente de base (lb),tiempo de pico (Tp), tiempo de base (Tb) y velocidad dealimentación (Wf)) siguiendo el método desarrollado por M.Amin [2] y luego corregido por S. Rajasekaran [3]. Segúneste método son utilizados tres criterios para determinar unazona de trabajo delimitada, dentro de la cual los parámetrosencontrados son los adecuados para ejecutar la soldaduraentre el metal base y el metal de aporte.

22

2.3 Determinación de los parámetros de soldadura.

Durante el proceso de soldadura se mantuvieronconstantes los siguientes parámetros:

• Distancia desde la tobera a la lámina: 15 rnm.• Flujo de gas protector: 15 L/min.• Polaridad directa con corriente positiva en el

electrodo.• Orientación del electrodo: 0° respecto a la vertical.

C. Porta y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales.

2. Procedimiento Experimental.

2.1 Materiales.

Se utilizaron láminas de 5 rnm de espesor de un aceroinoxidable dúplex 2205 (UNS 31803), la soldadura se hizo atope conjuntas de bisel a 60° dejando 2 rnm de talón y 2 rnmde separación de raíz. El material de aporte empleado fuealambre macizo de 1,2 rnm de diámetro del tipo ER 2209. Latabla N° 1 muestra la composición química del material deaporte y la del metal base. Como gas de protección se empleóuna mezcla de gases constituida por 2 % nitrógeno, 2 % deoxígeno y balance argón.

2.2 Equipos de soldadura.

Se utilizó una máquina multiproceso MTE DIGITEC 300diseñada por LABSOLDA \Brazil. Para este estudio la fuentede energía fue operada en modo de arco pulsado y en modode arco convencional. Como característica adicional, elequipo de soldadura tiene incorporado un osciloscopio digi-tal conectado a un computador que permite la adquisiciónde oscilogramas digitales, mediante el programa OSCILOSversión 4.0. Se soldó bajo distintas condiciones paraconstruir gráficas de trabajo que permitieron determinar lascondiciones óptimas. Estos datos permiten hacer unseguimiento a los diferentes parámetros de soldadura y a lavez el comportamiento del arco durante el proceso. Ladeterminación del calor aportado fue posible mediante losdatos de corriente y de voltaje efectivos [4], que sonimportantes para la estimación del aporte calórico [5]. Unsistema de avance semiautomático fue utilizado para realizaravances de la pistola sobre el material base de maneracontrolada.

Tabla N° 1 Composición química 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 método desarrollado por Amin [2] y las correccionesposteriores realizadas por S. Rajasekaran [3] permitieronobtener una gráfica por ensayo y error de los registros desoldadura en arco convencional y por arco pulsado. Estosvalores fueron registrados a cuatro velocidades dealimentación distintas y el criterio utilizado para tomar dichospuntos, fue que la velocidad de quemado del electrodo fueseigual a la velocidad de alimentación de dicho alambre,creándose así un arco constante y estable. En la figura 1 seobservan dos curvas (convencional y pulsado). Laintersección de ambas determina la velocidad mínima dealimentación 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 alimentación utilizada, en esteestudio se consideró el valor por encima del obtenido en elpunto de intersección; siendo la velocidad empleada de 5 mimino

400

350

~ 300

.§250

'""CCII 200E.l!!c: 150.~~o 100(.)

50

O, ,

O

• Convencional

-- Pulsado

Intersección 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 tomó un registro de corriente y de voltaje en arcoconvencional a una velocidad de alimentación de 5 m/min,luego se representan graficamente (Fig. 2), para estimar losintervalos de desprendimiento de gota

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°1. 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 40

TIempo [rns]

Fig.2. Registro de corriente y voltaje en modo convencional a 5m1mino

Posteriormente se elaboró un histograma de frecuenciapara los tiempos de desprendimiento de gota (Fig. 3) Ydelmismo se obtiene la mayor frecuencia de desprendimiento.

25

20Ee(J)

>ID 15(J)

"Cl

<t!

g 10

I(J)

::l(J

~u. 5

O l • -0,5 0,86 1.21 1,57

I1.93 2,29 2,64 Ymayor

ClaseFig.3. Histograma de frecuencia para determinar el tiempo dedesprendimiento de gota. Velocidad 5 mi mino

Como se muestra en el histograma de frecuencia, la mayorfrecuencia de desprendimiento de las gotas es deaproximadamente 1,57 milisegundos. Luego se determina lacorrientemínima para mantener el arco encendido (lb), conestevalor de corriente, la velocidad de alimentación (Wf) yel tiempo de base también fijo de 6 ms (valor de tieI1!P0promedio para varias gotas), se registraron oscilogramas,dondeúnicamente se varió Ip y Tp, para el caso de dosgotaspor pulso. Se gráfica ellogaritmo de Ip vs. ellogaritmode Tp siendo la pendiente de esta gráfica (figura 4) elcoeficienteM.

2.3.2 Factor de desprendimiento de gota "Kv".

Con el tiempo de mayor frecuencia de desprendimientode gota, la-pendiente (M) proveniente de la figura 4 y el valorde corriente promedio obtenida de modo convencional (Fig.2), se determinó el factor de desprendimiento de gota "Kv".

El valor de Kv' permite determinar una ecuacióndenominada curva de potencia constante (ecuación 2), lacuaJ delimita una serie de rectas radiales, definidas en función

.de los distintos tiempos de pico posibles, obtenidos de laecuación 3.

M¡DC .TDC = Kv

(1)1650S-(-18). 1,57 = K

, 1000 v

Kv=15,40

Donde IDC y T DC son la corriente promedio en el oscilogramay el tiempo de mayor frecuencia.

La ecuación 2 debe tener como punto inicial el valor decorriente promedio de 146,2 A, obtenido en la figura 1. Laecuación 3 determina todas las combinaciones posibles decorriente de pico vs. corriente de base, que pueden serrealizadas a distintos tiempos de pico. La figura 5 muestrauna serie de rectas paramétricas (ecuación 3), cada recta dela serie corresponde a un valor particular de Tp.Adicionalmente, se determinó el valor de corriente de basemínima para obtener un arco estable 18=15 A.

6·

o Corriente de pico vs Tiempo dePico

- Lineal (Corriente de pico vsTiempo de Pico)

5.9

~ I8 581c::{l 5.7'(1)

i~I <>.~ Valores tomados de oscilograma() 5.5 con dos gotas por pulsoelo

y =-1,822Sx+ 7,6049...J5.4-

Wf=5m/min

5.31 Ib=20 A o

Tb= 6 msI

5.2'0.9 0.95 1.05. 1.1 1.15 1.2 1.25 1.3

Log Tiempo de Pico(ms)

Fig. 4. Relación entre la corriente de pico y el tiempo de pico paradeterminar el coeficiente M de la curva de potencia constante.

24 C. Porta y col. / Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales.

Ip'<x Tp = 15,40 (2)

Donde 1 es la corren te promedio en el ciclo y T = Tp + Tb,M

es el tiempo de ciclo.

3. Resultados Experimentales.

De todas las condiciones delimitadas dentro de la zonade trabajo (Fig. 5), se escogieron ocho para realizar el estudio.A estas se les determinó tanto el aporte calórico bruto comola penetración de la soldadura en una lámina sin bisel.

En la tabla N° 2 se presentan las condicionesexperimentales estudiadas. Todas presentaron buen acabadoexterno y con factibilidad de ser utilizado en un proceso desoldadura por arco pulsado.

Tabla N° 2. Condiciones experimentales estudiadas. (Wf = 5 mIminoVa = Velocidad de avance 20 cm/min).

Tp(ms) Tb(ms) Ip(A) Ib(A)Condición 1 3.5 5,5 345 20Condición 2 2 7 310 100Condición 3 2,5 6.5 320 80Condición 4 2 7 350 90Condición 5 4 5 270 50Condición 6 4,5 4,5 260 30Condición 7 3 6 320 80Condición 8 3 6 350 32

En .la tabla N° 3 se presentan los valores .de corrienteeficaz y voltaje eficaz, así como también el valor del aportecalórico obtenido en el proceso y las diluciones respectivas.Todos los valores de aporte calórico están por debajo delnecesario para realizar una soldadura óptima del acero, segúnlo establecido por la teoría[6]. Para nuestro caso, seobtuvieron soldaduras de óptima calidad con un aportecalórico más bajo.

Grafica # 5Gráfica Parametrica

400.0 \ •380.0

360.0

0340.0

320.0 0300.0

280.0TP'l

-+--'l'p:]260.0

Tp "1.5

Tp:=2« 240.0 Tp::2.5

~ ~ --'-Tp=3o 220.0 ___ Tp=3.S

.11T_!l.., 200.0 __ Tp=4.5

1J

S "['~_oe 180.0 To=.5.5"'g or_O 160.0 '1'0=6.5

Tp=7

140.0 Tp=7.5

T)?'8120.0 Tp=8.5

T _

100.0 __ poe con/.

__ IB=l5 A

80.0

60.0

40.0

20.0

0.00.0 20.0 40.0 60.0 80.0 100.0 120.0 140.0 160.0

Corriente de Base (lb) A

Fig. 5. Relación entre corriente de pico y corriente de base para distintos tiempos de pico. Se delimita la zona final de soldadura.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N°l.

La función corriente eficaz y voltaje eficaz se calculanpara transferencia en arco pulsado según la ecuación (4) defunción efectiva.

F.ejicaz =

Con los valores calculados de corriente eficaz, voltajeeficazy la velocidad de avance se determina el aporte calóricobruto en el proceso de arco pulsado (ecuación 5).

V* 1* 60Aportecalórico = (5)

Va * 1000

%DILUCION= 4netalbasefondido *100 (6)

Atotalmetatiepositado

TablaW 3. Valores de Iefieaz, Vefiea" aporte calórico y % de diluciónparalas condiciones evaluadas.

1 eficaz V eficaz Aporte Dilu-

(A) (V) calórico ción(KJ/rnm) (%)

Condición1 200,0 26,2 1,57 50,76

Condición2 164,2 24,1 1,19 48,29

Condición3 172,3 26,5 1,37 54,63

Condición4 171.3 24,8 1.27 55.62

Condición5 ]76.8 25,2 1.33 48,86

Condición6 177,9 24,2 1,29 56,20Condición7 185,7 26,5 1,48 54,28

Condición8 190,] 23,2 1,32 45.27

Lacondición 6 fue la seleccionada para realizar un cupóndepruebadebido a que el porcentaje de dilución obtenido,fueelmayor de todas las condiciones de soldadura evaluadasenestetrabajo. La figura 6 muestra la micrografía de la juntasoldada,donde se observan las tres zonas típicas de lajunta.Nóteselo estrecho de la zona afectada por el calor (ZAC).

En la figura 7 se observa en detalle la 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 ferrítica.Ambasfases están 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 calórico mayores al utilizadoenesteestudio. En ese trabajo se indica la importancia demantenerbajo aporte calórico durante el proceso.

,...

25

Fig. 6. Fotomicrografía del cupón soldado bajo la condición 6.

Fig. 7. a) Detalle de la zona afectada por el calor 500X, b)Detalle del metal de aporte 500X

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4. Conclusiones.

1.- El acero inoxidable dúplex 2205 debe ser soldado conaportes calóricos bajos pues altos aportes de energíadan lugar a la aparición de fases perjudiciales en lasuniones soldadas.

2.- Se debe trabajar a una velocidad mayor a los 4 mlmin. develocidad de alimentación 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 método permite realizar un proceso de soldadura enun solo pase para chapas de 5 mm en cualquier posiciónde soldadura, inclusive en la posición sobre cabeza.

4.- Las condiciones encontradas fueron únicamente parauna velocidad de alimentación de 5 mlmin. Sin embargoel valor de la pendiente de 1,8 puede ser utilizado en laconstrucción de cualquier zona paramétrica a cualquiervelocidad mientras el diámetro del alambre sea de 1,2 rnm.

5.- No se observó presencia de ninguna otra fase distinta alas constituyentes elementales del acero dúplex 2205(austenita-ferrita). Esto garantiza desde el punto de vistamicroestructural que este método fue adecuado para lasoldadura del acero DSS 2205.

6.- Se encontró un adecuado balance de fases en la uniónsoldada, buena recristalización de la austenita y unadecuado crecimiento de la misma.

Bibliografía.

1. L. Karlsson, Intermetallic Phase Precipitation in DuplexStainless Steels and Weld. Welding Research Council,bulletin, (1999) 2-4.

2. M. Amin, Pulsed current parameters for are stability andcontrolled metal transfer in are welding. Metals construc-tion, (1983) 272-278.

3. S. Rajasekaran, S. Kulkarni, U. Mallya, C. Chataverdi, De·tachment and plate fusion GMAW. Welding Journal,(1998) 254-268.

4. J. C. Dutra, O. S De Paola, Comparacao entre o procesoMIG/MAG convencional e pulsada. XXII ENTS·BlumeneauJ S.C, (1996)239-243.

5. ASM Handbook, Volume 6 Transfer of heat and mass lothe base metal in Gas Metal Are Welding, (1996) 25-29:

6.1. M. Gomez de Salazar, A. Ureña, M. Cogollo, V.Barranco,M. J. Alvarez: Soldadura TIG de los aceros inoxidablesdúplex del tipo 2205. Estudio de la microestructura yde las propiedades mecánicas. Rev Metal Madrid. (1998)271-275.

7. R. Gunn: Duplex Stainless Steels, Microstructure, Prop-erties and Applications .(1997).