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Determinación de la relación entre el número de ferrita medido por magnetismo
y el calculado gráficamente en depósitos de soldadura de aceros inoxidables austeníticos . . ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Ingeniero Metalúrgico de lo Universidad Libre de Colombia, Ingeniero Químico de lo Universidad Nocional de Colombia. Jefe de Control de Calidad de lo Empresa Electromonufocturos S.A. Miembro activo de AWS, del Comité Técnico de ACOSEND, del Comité de Normalización de Soldadura del ICONTEC y del Comité Técnico poro lo Certificación de Competencias Laborales SENA. Catedrático de lo Especialización en Soldadura de lo Universidad Libre.
1 NTRODUCCIÓN
El contenido de ferrita tiene influencia
sobre las propiedades del metal de
soldadura de depósitos de aceros
inoxidables austeníticos. Es conocido
que la ferrita reduce la tendencia a la
fisuración del metal de soldadura; su
presencia aumenta la resistencia del
metal de soldadura y puede presentar
un detrimento sobre el comportamiento
del material en ciertos medios
corrosivos. Generalmente disminuye la
tenacidad en servicio criogénico,
como también en servicio a alta
temperatura en donde puede
transformar a fase sigma [Refs. 1 y 2].
Se han desarrollado diagramas de
constitución, a través de los cuales
se puede predecir el contenido de
ferrita en el metal de soldadura
util izando su composición química
[Ref. 3]. En 1949 se pub licó e l
Diagrama de Schaeffler, el cual se ha
uti lizado ampliamente para estimar
el contenido de ferrita en metales de
soldadura de aceros inoxidables y
predecir la microestructura en
uniones de metales d isímiles. Se han
identificado los siguientes problemas
cuando se utiliza este diagrama: no
tiene en cuenta el nitrógeno como
elemento austenizador, hace un
tratamiento inadecuado del
1 Luis Eduardo Garavito Ramírez
manganeso y expresa el contenido de
ferrita en porcenta je, lo cual es
impreciso [Refs. 3 y 4] .
El Diagrama de Delong se publicó en
197 4 e introdujo algunas mejoras: involucró el nitrógeno en el cálculo del
níquel equivalente y la escala de NF.
Como limitaciones presenta el manejo
inadecuado del manganeso, el área
limitada respecto al Diagrama de
Schaeffler y la sobreestimación del contenido de ferrita en materiales con
bastante a leación, como en el caso
del E309.
En 1988 se publ icó el Diagrama
WRC- 1988, el cual presenta una excelente predicción del contenido de
ferrita superando a los anteriores
d iagramas. Se aplica para rangos de
NF de O a 100, para contenidos de
Mn hasta 1 0%, Mo hasta 3%, N hasta
0.2% y Si hasta 1%. La mejora en la
predicción ha hecho que este diagrama se haya considerado para
reemplazar el Diagrama de Delong
en el código ASME [Ref. 5].
En 1992, Kotecki and Siewe rt
propusieron una modificación del Diagrama WRC- 1988, en la cual se
incluye el Cu en el cálculo del níquel
equiva lente, y una extensión para
mejorar la predicción de l NF en
uniones disímiles [Ref. 4].
INVITADO ESPECIAL / ----~
l . Base experimental y procedimiento
Para el desarrollo del presente
traba jo se utilizaron electrodos
revestidos del tipo E308L, E308H,
E309L, E309Mol, E3l O, E316L,
E3l 7 y E34 7, clasificaciones de
acuerdo con la especificación AWS A5.4-92 [Ref. 1]. Estas clasificaciones
de electrodos corresponden a los de
mayor utilización en el mercado. Los valores de Número de Ferrita
esperados para este tipo de
electrodos, son inferiores a 20
[Ref. 6].
En total se obtuvieron 96 muestras
de las anteriores clasificaciones, de
diferentes lotes y diámetros. Con
cada muestra se realizó una probeta
para la determinación del Número
de Ferrita, los cuales se prepararon
de acuerdo con lo establecido en
la especificación AWS A5.4-92
apéndice A6. Uno vez preparados,
se procedió o determinar el Número
de Ferrita con un instrumento
calibrado de acuerdo con lo
establecido en la especificación
AWS A4.2 -97 [Ref. 7]. El equipo
utilizado fue un "Inspector Goge"
ca librado con patrones de referencia primarios SRM l364b y
l364b del NIST (National lnstitute
of Standards and Technology, Boulder, Co.).
En la superficie de cado probeta
sobre lo cua l se determinó el
Número de Ferrita, se realizó el
respectivo análisis químico mediante
un espectrómetro emisión por
chispo, del tipo "SpectroLAB" el cual
previamente se calibró y verificó con
patrones de referencia NIST SRM
1155 y SRM 1172. Con el análisis
químico obtenido se determinó el
Tabla 1. Distribución del Número Total de Muestras por Clasificación
y Diámetro (Total de muestras: 96)
Clasificación 1 Número de ¡ Diámetro 1 Diámetro 1 Diámetro 1 Diámetro Muestras 2.4 3.2 4.0 4.8
308H 8 1 3 4 o 308L 41 6 20 12 3
309L 19 1 9 7 2
309Mol 3 o 3 o o 310 7 o 3 4 o 316L 11 2 5 2 2
317 2 o 1 1 o 347 5 o 3 2 a O Total 96 10 47 32 7
Tabla 2. Distribución de los valores de número de ferrita obtenidos por
medición directa sobre la probeta (Total 96)
Clasificación J Rango de Número de Ferrita. Obte_nido ::
E308L 5 - lo
E308H 3- 12
E309L 1 E309Mol 7 - 17
E310 o - 0.7
E316L 1 E31 7 3 - lO
E347 4 - 10
Total de Rango o - 17
Tabla 3. Rango de valores de la composición química obtenida por elemento
' Elemento ; Rango Obtenido (% en peso)
e 0.01 - 0.11
Mn 1.1 - 2.0
Si 0.2 - 0.8
Ni 9.5 - 21
Cr 18.5 26
M o 0.04 - 3.1
Nb 0.01 - 0.90
N 0.03 - 0.06
.. Figura 7. Histograma de frecuencias de los errores
(NF Medido - NF WRC 1992) (todos los datos)
los resultados y los errores esperados
para límites de confianza del 95%.
La correlación se establece utilizando
como variable independiente el Número
de Ferrita calculado gráficamente a
través de la composición química (X),
y como var iable dependiente el
Número de Ferrita obtenido por
medición directa sobre la probeta (Y).
40
30 r-
-2sp 1
1
1
1
1 20
1
1 1
1 1 ...-
r+-1
10 1
1
1 1
o -3 -2 -1
Número de Ferrita a través del
diagrama d e const itución para
depósitos de soldadura WRC 1992
[Ref. 4].
La distribución del número de muestras
por clasificación de los electrodos y
por los diámetros se muestra en la
Tabla 1 . De las referencias y diámetros
de mayor utilización en el mercado,
se obtuvieron mayor cantidad de
muestras. El número de muestras
propuestas para el presente traba jo
equivalen al14% de las muestras que
se trabajaron pa ra obtener el
Diagrama WRC 1988 [Ref. 5] con
NF< 18, y al 50% de las muestras del
trabajo de verificación del Diagrama
WRC 1988 real izado por Kotecki [Ref.
8]. Los va lores de Número de Ferrita
obtenidos por medición directa sobre
la probeta y su dist ribuc ión se
muestran en la Tabla 2 , y el rango de
va lores de la composición química
obtenido por elemento en la Tabla 3.
Con los datos obtenidos se uti lizaron
representaciones estadísticas paro
establecer las correlaciones entre
los datos y su dispers ión . Del valor
de Número de Ferrita obtenido a
··.
o
Mean
li
+2sp P"""' 1
1 1 1
.....- 1
1
1 1
1
1
1 1
1
1 1
1 1
n-
2 3 4
través de la medición directa sobre
la probeta, se restó el respectivo
valor de Número de Ferrita obtenido
a través de la composición química
utilizando el Diagrama WRC 1992.
Con las diferencias obtenidas (errores),
se realizaron d iag ramas de frecuencia,
tanto de todos los valores como por
clasificaciones . Posteriormente se
rea lizaron regresiones lineales simples
para establecer la correlación entre
2. Resultados y Discusión
2 .1 Diagramas de Frecuencia
Con los valores de error encontrados
(NF Medido - NF WRC1992), se
rea lizan diagramas de frecuencia de
todos los datos y estratificados por
clasificaciones; con el promedio se
determina el centramiento y con la
desviación estándar se determina la
dispersión. Se toma como referencia
el valor de + / - 28 (límite de confianza
del 95%). Los d iagramas se muestran
en las Figuras 1, 2, 3, 4 y 5 .
El 99% de los datos se encuentran en
el rango de+/- 2.2 unidades; el valor
promedio de los datos está ligeramente
Figura 2. Histograma de f recuencias de los errores (NF Medido
- NF WRC 1992). Clasificaciones 308L y 308H (49 datos)
Mean 20 1
1
r-•
15 -2sp +2sp 1
1 1 1
1 1 10 1 ,..... 1 ...-1 ,..... 1 r--1 1 5 1 1 1 1
1 1 1 1 h o
-3 -2 -1 o 2 3 4
_,_,_.+ __ fN_v_tr._A_o_o_E_sP_E_c_tA_L ____ __.,/
desplazado hacia el valor negativo de
cero (Fig. 1). Estos datos presentan uno
menor desviación que los valores
encontrados poro NF < 18 en lo
Referencia 1 (el 85% de los datos se
encontraron en el rango de + /- 2.5
unidades). Los análisis químicos
realizados o través del espectrómetro de
emisión presentan valores consistentes
y lo predicción del NF o través del
método gráfico presenta dispersiones
y desviaciones relativamente bajas. El histograma de frecuencias presenta
uno formo normal con uno muy boja desviación (buen centramiento).
Lo estratificación de los datos por
clasificaciones muestra un valor bajo
para los referencias del tipo 308 (L y H), no muy lejano de las otras
clasificaciones, excepto para los que
contienen molibdeno (Fig. 4), el cual
presenta el menor valor de dispersión
pero con la mayor desviación con
respecto al cero. A pesar de esto, los
datos de los clasificaciones con molibdeno se encuentran en el rango
de -0 a + 2. El histograma para las
clasificaciones 31 O y 34 7, presenta también un bajo valor de dispersión;
esto se puede deber a que los datos
de 31 O presentan valores muy cercanos
o cero y no negativos.
Los valores de error poro los
clasificaciones 308 (L y H), 309L y
oleados con molibdeno presentan valores de error de NF menores y con
un mayor número de muestras dentro
de este rango, que los encontrados
para estos clasificaciones en estudios
anteriores [Ref. 5]. Este comportamiento
se esperaba, de acuerdo con lo observado en el histograma de todos
los datos (Fig. 1 ).
Respecto al comportamiento de los
valores obtenidos con re lación al
diámetro, no se observo ningún
comportamiento diferente o los obtenidos
Figura 3. Histograma de frecuencias de los errores (NF Medido
- NF WRC 1992). Clasificaciones 309L (19 datos)
6
-2sp
4 ..---
2
o -3 -2 -1 o
en los histogramas mostrados, por lo
que el diámetro del electrodo no
muestra influencia en la determinación
del NF por el método gráfico poro
una mismo o diferente clasificación.
2 .2 . Relación de los datos. Regresión lineal
Se realizaron regresiones simples
entre el NF medido directamente
Mean
,_
...-- +2sp 1
2 3 4
sobre lo probeta y el NF
determinado con el Diagrama WRC
1992 [Ref. 9] . Al igual que con los
histogramas, se real izaron
para todos los datos y pa ra cada
una de los clasificaciones
estratificadas. En la Tabla 5 se
presentan los datos de los
parámetros de correlació n
encontrados para los diferen tes
análisis realizados.
Figura 4. Histograma de frecuencias de los errores (NF Medido
- N F WRC 1 992). Clasificaciones 309MoL, 316L y 31 7 ( 1 6 datos)
12 Mean
10
-2sp +2sp 8
6
4
2
o -3 -2 -1 o 2 3 4
Figura 5 . Histograma de frecuencias de los errores (NF Medido
- NF WRC 1992). C lasificaciones 310 y 347 (12 datos)
Mean 8
6 -2sp +2sp
4
2
o -3 -2 -1 o 2 3 4
Tabla 4 . Valores Estadísticos de los Histogramas
Estratificación 1 Figuro Promedio 1 Desviación límite Estándar + 1- 2 S
Todos 1 0.38 1.22
308L - 308H 2 0. 10 1.34
309L 3 0.52 1.30
309Mol -3 16L -31 7 4 1.12 0 .61
310-347 5 0.33 0.77
Tabla 5. Valores de Reg resión Lineal Simple Y = A+ B .X
(Y= NF medido y X= NF diagrama WRC 1992)
2 .44
2 .68
2 .60
1.22
1.54
Clasificaciones ! Coeficiente Coeficiente 1 Error ·¡ Coef. Límite de A B estándar Correlación confianza
estimado {r) 95% {+ / -2 o)
Todos los datos 0.671 0.963 1.17 0.95 2.3
Todos los dotas 0.671 0.962 1.17 0.95 2.3
sin Molibdeno
308L-308H 1.73 0.79 1.16 0.87 2.3
309L 1.78 0.88 1.26 0.81 2.5
309Mol -316L -31 7 0.85 1.04 0.60 0.99 1.2
310-347 1 0.124 1.06 0.86 0.96 1.7
Como se puede observar en la Tabla
5, al estratificar cada una de los
clasificaciones 308 (L y H) y 309L y
comparar los resultados de residuales y datos estadísticos contra los valores
obtenidos de todos los datos, se
observa un aumento en e l error
estimado y uno d isminución del
coeficiente de correlación (r), el cual
posa de excelente a aceptable en estas dos clasificaciones [Ref. 1 0). Po ro las
clasificaciones aleadas con molibdeno
se observa uno considerable disminución
en el error estimado y una correlación
casi perfecta, efecto que se pierde cuando esta clasificación se involucra
dentro de todos los datos. De acuerdo con lo anterior, se sugiere tener dos
correl aciones : u na para las
c las ificac iones con a leació n de
molibdeno (309Mol , 316L, 3 17) y otra poro las clasificaciones 308 (L y H), 309L, 3 10 y 347, uti lizando en esta última todos los datos.
CoNCLUSIONES
Se han encontrado dos relaciones para determ inar el NF medido por
magnet ismo a través del NF calculado con el diagrama WRC
1992, util izando la técnico de emisión por chispa para la determinación del análisis químico.
Se aplican para depósitos de metal
de soldadura en los cuales se espera
un NF inferior o 20 con los rangos de composición química establecidos.
Los valores de error estimado de los
corre laciones y para un lím ite de
confianza del 95%, están por debajo de los reportados en estudios anteriores y corresponden a: +/- 1.2
NF para las clasificaciones aleadas con molibdeno y o +/- 2.3 NF paro
los otros clasificaciones.
INVITADO ESPECIAL /
---------
Figuro 6. Regresión Lineal para todos los Datos y util izable para las clasificaciones 308(L y H), 309L, 31 O y 34 7
15
10
5
.•
o
.. .. · .. ..
.. o 2 4 6 8 10 12 14 16
Linear: Y= .6712136 + .962698 • X Linear 95%C.I.
Figuro 7. Regresión Lineal para las clasificaciones aleadas con Molibdeno (309MoL, 3 1 6L y 3 1 7)
15
10
.• -····+ + .. ·
5
-!:············· ...
2 4 6 8 10 12 14 16
Linear: Y = .8491673 + 1.042886 • X Linear 95%C.I.
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