Electrodos Tubulares

FLUX CORED WIRE

FÜLLDRAHTELEKTRODEN

Introducción

Desde que en 1953 se introdujera por primera vez el procedimiento de soldadura utilizando gas protector (CO2) estas técnicas se han desarrollado e implantado en la industria de manera vertiginosa. Sobre la década de los 60 el procedimiento conocido como FCAW (Flux Cored Arc Welding) el cual utiliza alambres continuos con fundente incluido estaba desarrollado y su uso desplazaba o otros consumibles del mercado. En Estados Unidos, por ejemplo, durante 1980 el 15 % del total de las ventas de consumibles de soldadura corresponden a los alambres tubulares.

Dentro de este procedimiento la variante de soldadura autoprotegida se ha desarrollado satisfactoriamente debido a la simplicidad y flexibilidad del método lo cual ha convertido a esta en una opción muy popular. A ello contribuye de forma determinante el hecho de que el equipamiento utilizado en la soldadura con protección gaseosa se pueda utilizar para este tipo de proceso sin la necesidad de modificaciones.

Características fundamentales de los alambres tubulares

1.1. Generalidades

El procedimiento de soldadura con alambres tubulares continuos con fundente incluido (Flux Cored Arc Welding, FCAW) se conoce desde los años 50 y en los últimos años su uso se ha extendido de forma gradual acompañado del desarrollo de la automatización en los procesos de soldadura, según algunos expertos en la actualidad más del 40% de las construcciones soldadas utilizan parcial o completamente este método .

Esta forma de soldeo es capaz de combinar características de tres procedimientos de soldadura conocidos:

Soldadura Manual con Electrodo Revestido (SMAW).

Soldadura en Atmósfera de Gases Protectores (GMAW).

Soldadura Automática por Arco Sumergido (SAW).

Su desarrollo comenzó con la introducción en 1953 del procedimiento de soldadura con varilla maciza protegida por CO2 y afianzó su utilización en 1956 con la introducción de los hilos tubulares sin necesidad de gas protector (autoprotegidos). Ya en la mitad de los años 60 estaban desarrollados los hilos tubulares con y sin protección gaseosa obteniéndose con ellos depósitos limpios con buenas propiedades mecánicas.

Este procedimiento de se divide en dos variantes fundamentales:

Soldadura protegida con gas exterior (CO2 o mezclas de Gases).

Soldadura autoprotegida (sin necesidad de gases exteriores).

En el primer caso el gas protector puede ser CO2 o una mezcla de Ar-CO2 o He-CO2 el cual protege el metal fundido del oxígeno y el nitrógeno del aire formando una envolvente alrededor del arco y sobre el metal fundido. La necesidad de desnitrificación del metal fundido es pequeña ya que el nitrógeno con el aire es comúnmente excluido, además, algún oxígeno puede ser generado desde la descomposición del CO2 para formar CO y O2.

En la variante de soldadura autoprotegida la protección del baño es obtenida como resultado de la vaporización de los ingredientes del núcleo con el desplazamiento del aire y por la composición de la escoria que cubre el metal fundido depositado, la cual introduciendo agentes desoxidantes y desnitrificantes, que están presentes en la superficie del metal fundido, desarrollan los procesos metalúrgicos durante la soldadura.

Resulta evidente que en la composición de la carga mineral productora de la escoria, deben estar presentes, elementos que a altas temperaturas se descomponen formando la capa gaseosa necesaria para la protección del baño.

Con el desarrollo posterior de este proceso de soldadura se han presentado en la práctica industrial una gran variedad de aplicaciones con características específicas, fundamentalmente referido a las exigencias de trabajo para las uniones soldadas que se realizan mediante este método. Ello trae como resultado que este procedimiento sea usado para soldar aceros aleados, de mediano y bajo carbono, aceros inoxidables y hierro fundido. En algunas ocasiones es usado en presencia de soldadura por resistencia para recubrimiento de juntas en chapas y platos así como para revestimientos de aceros duros.

Generalmente se utilizan los alambres autoprotegidos en las mismas aplicaciones para las cuales se elegiría el soldeo con electrodo revestido, mientras que el proceso con protección de gases se utiliza en aquellas aplicaciones en las que se seleccionaría el proceso MIG/MAG.

Este ultimo puede ser utilizado para muchas aplicaciones pero su principal desventaja es el alto costo del mantenimiento de los equipos, incluyendo el contacto con los tubos, el delineador de las mangueras, el regulador de gas para la antorcha, además, el gas suministrado es también de un costo adicional comparado con el tipo autoprotegido el cual solo requiere de una simple antorcha y un mecanismo de alimentación. Es por ello que en muchos casos algunos prefieren el uso del procedimiento de soldadura autoprotegida el cual tiene las siguientes ventajas:

Gran productividad.

El bajo costo total por libras de metal depositado.

Permite una soldadura continua.

Fácil acceso al equipamiento.

Alta razón de deposito.

Alto factor de deposito.

Alto factor de operación.

Mayor eficiencia en él deposito.

Sus principales desventajas son:

Relativa complejidad de instalación y control del equipamiento.

Costo mayor del equipamiento

Restricción en operaciones desde distancia debido al alimentador de alambre electrodo.

Genera grandes volúmenes de gases de soldadura por lo que el equipamiento debe tener un adecuado sistema de extracción de gases.

Tiene un costo agregado debido a la necesidad de remover la escoria diferenciándose de GMAW donde la escoria es libre.

Finalmente se puede agregar que la principal desventaja de estos procesos (con gas protector o autoprotegido) frente a los procesos que utilizan alambre continuo macizo radica en el tiempo que se emplea en retirar la escoria, lo cual puede convertirlo en un proceso no competitivo especialmente en pasadas de raíz. Otra desventaja es la gran cantidad de humo que se produce durante el soldeo .

Durante mucho tiempo la mayoría de los alambres tubulares autoprotegidos se utilizaban fundamentalmente en los procesos de recubrimiento superficial o relleno debido a la baja ductilidad de los depósitos que se obtenían, en la actualidad existen alambres tubulares autoprotegidos que depositan cordones con menos de 10 ml de Hidrogeno por gramo de metal.

1.2. Principales características constructivas de los alambres tubulares

De forma general un alambre tubular consiste en una envoltura o cinta de acero de bajo carbono que cubre o envuelve el núcleo donde están presentes los minerales que conforman el fundente el cual a su vez esta compuesto por el sistema de escoria y la carga aleante.

Para la elaboración mecánica de este tipo de consumibles se combinan dos procesos de conformación conocidos, el perfilado de la chapa y el trefilado, ambos implementados en una misma instalación o máquina. El esquema clásico de una instalación de este tipo incluye los siguientes pasos:

La operación de perfilar se basa en el principio de transformar gradual y sucesivamente una tira de chapa en un perfil, esto se obtiene haciendo pasar la cinta a través de una serie de pares de rodillos de acero que con un movimiento rotativo transforman la cinta y la hacen tomar formas distintas en cada pasada a fin de obtener el perfil deseado. Los pares de rodillos conformadores, debido a su función característica, vienen fijados en soportes especiales y dispuestos en baterías. Cada par tiene un perfil distinto que se aproxima cada vez más a la sección deseada, el número de rodillos depende del perfil a obtener.

En la Figura .se muestra una maquina con fines investigativos para la fabricación de alambres tubulares.

Figura 1. Fabricación de los alambres tubulares .a- Máquina utilizada, b-Alambre fabricado

En la elaboración de los alambres tubulares en el primer paso de perfilado se obtiene un perfil en forma de canal el cual se llena con el fundente mediante un sistema alimentador-dosificador acoplado a la instalación.

Existen varios sistemas para dosificar la carga. En la Figura se muestra un sistema de adición de la carga mediante un plato giratorio y que deja caer la mezcla en el perfil en forma de canal .

Figura . Sistema de adición de la carga al núcleo del electrodo.

Para el cierre de sección existen dos métodos generalizados:

Cierre mediante soldadura.

Cierre sin soldadura.

En el caso del cierre con soldadura se utilizan instalaciones que ejecutan una costura longitudinal del perfil utilizando soldadura por alta frecuencia o por resistencia eléctrica. Este procedimiento tiene como desventaja fundamental que provoca salpicaduras que quedan en el interior del alambre lo cual empeora sus condiciones para el trefilado provocando muchas roturas.

El cierre sin soldadura se utiliza en la generalidad de los casos, usualmente hay dos formas clásicas de cerrar la sección, el cierre a tope y el cierre a solapa. La selección de uno u otro depende fundamentalmente del diámetro final que se desee para el alambre y la configuración interna del mismo.

En el segundo paso de perfilado se continua conformando (reducción del diámetro) el alambre y se prepara para el tratamiento térmico posterior. Este tratamiento térmico, que comúnmente es un recocido, se aplica al alambre para disminuir la dureza que ha adquirido como resultado de la acritud. Según la literatura , los valores de dureza en la superficie del alambre no deben exceder el valor de 250 Hv para evitar roturas en el proceso de trefilado, incluso cuando existen trefilados continuos es necesario aplicar tratamientos térmicos entre los pasos para evitar el aumento excesivo de la dureza. En las operaciones de trefilado se fuerza al alambre a pasar a través de una matriz o hilera mediante la aplicación de una fuerza de tracción al extremo del alambre que ya ha pasado por la matriz y aparece por la cara de salida, es decir, se le fuerza a pasar por la matriz tirando de el.

La reducción de la sección del alambre provoca la compactación de la carga mineral y aumenta la dureza del alambre producto a la acritud, ello resulta beneficioso para evitar las deformaciones del alambre al pasar por los rodillos de tracción de los equipos para soldar.

Para trefilar alambres a diámetros pequeños se emplean reducciones del 15 al 25% por pasadas mientras que para los diámetros mayores se puede llegar a reducciones del 20 al 50%. Para ambos casos se debe tener cuidado en la lubricación del proceso la cual debe asegurar que el alambre no se caliente excesivamente y se pueda partir. Normalmente las matrices se colocan en cajas que están llenas con el lubricante lo que permite mantener constante una película de lubricante entre el alambre y la matriz o trefil. En la actualidad se utilizan con frecuencia los lubricantes secos de tipo jabonosos con aditivos lubricantes como el grafito, también se puede utilizar el grafito solo como lubricante sólido o una mezcla de cebo animal y grafito.

El ancho y el espesor de la cinta metálica empleada en la fabricación del alambre son factores decisivos en la selección de la instalación y la calidad de los alambres que se obtienen, en la literatura se reportan valores desde 2.2 mm hasta 0.8 mm de espesor para la cinta dependiendo del diámetro final del alambre y la cantidad de pasos o etapas que tenga la elaboración del alambre hasta llegar a la dimensión final. La siguiente tabla ilustra algunas de las características técnicas del proceso de elaboración de estos materiales.

Tabla 1. Parámetros tecnológicos para la elaboración de alambres tubulares.

Otro aspecto de interés en la fabricación de estos consumibles es el uso de configuraciones complejas en la sección transversal del alambre. Los alambres con diámetros entre 1.2, 1.4, 1.6, y 2 mm están libres de irregularidades interiores o configuraciones complejas solo se fabrican alambres con estas características para valores de diámetro superiores a 2.4 mm, en la figura ,se muestran algunas de las configuraciones más utilizadas en la práctica ingenieril. Las diferentes configuraciones de estos alambres tienen sus propias características respecto a la relación de relleno o coeficiente de llenado (kll).

Figura . Diferentes configuraciones en la fabricación de alambres tubulares

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). Algunos autores plantean que los ingredientes de la carga pueden representar de un 15 a un 60 % del peso total del alambre, ello puede depender en gran medida de la capacidad de la maquina conformadora, es por que en la practica común se trabaja con valores entre el 20 y el 30% para cintas que tengan alrededor de 0.3 mm de espesor mientras valores del coeficiente de llenado entre 45 y 55 % se utilizan en cintas con espesores sobre los 0.25 mm.

Para un diámetro dado, el área de la corona 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 alambre.

Como se ha apuntado, estos alambres permiten mayores velocidades de aportación en comparación con los de baja relación de relleno para una misma intensidad y longitud libre del hilo, este comportamiento se puede apreciar en la figura 3 de los anexos.

Resulta interesante señalar que los alambres con relaciones de relleno elevadas pueden contener una cantidad considerable de polvo metálico en el núcleo (por ejemplo polvo de hierro), este polvo metálico del núcleo puede fundirse sin necesidad de consumir una energía adicional (la corriente fluye a través de cinta envolvente) y, por tanto, se aumenta la velocidad de aportación.

Además de lo expuesto anteriormente hay que considerar que la soldadura con hilos 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 los fúndente, la polaridad y la composición del gas protector.

1.3. Composición y función de la Carga.

El núcleo de los alambres tubulares, o sea, la carga, el fundente o el FLUX como también se le conoce, debe contener de forma general los siguientes elementos:

Agentes formadores de escoria.

Agentes estabilizadores de arco.

Polvo metálico en los hilos tubulares de elevada relación de relleno.

Carga Aleante en forma de Ferroaleaciones.

En función de la composición del fundente los hilos pueden dividirse a grosso modo, en básicos y ácidos. El fúndente de los hilos tipo ácidos contienen óxidos ácidos como pueden ser el TiO2, SiO2 o feldespato y a veces Fe3O4. El núcleo de los básicos contiene CaF2 y CaCO3 como principales agentes formadores de escoria. Los carbonatos se descomponen en gas CO2 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 agentes formadores de escoria que pueden estar presentes. La protección por la descomposición de los carbonatos y la fina capa de escoria que cubre las gotas de metal, producen unos contenidos sumamente bajos de nitrógenos entre 40-80 ppm, 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 alambres 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 elementos. 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 microescoria .

Como ya se ha descrito el fundente en los alambres tubulares tienen funciones específicas 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.

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 deposito garantizando un tamaño adecuado del cordón.

Por otra parte la capacidad de los alambres tubulares para depositar cordones con bajo contenido de hidrogeno 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 hidrogeno 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 hidrogeno. 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 hidrogeno (almacenamiento en ambiente de baja humedad relativa y secado). El bajo contenido de hidrogeno en el metal fundido depositado con alambres tubulares se asegura durante la elaboración de los mismos desde la selección para su carga de elementos poco higroscópicos hasta los tratamientos posteriores a su elaboración. Como resultado de esto no existe la posibilidad de captación de hidrogeno y, por tanto, el riesgo de absorción de humedad de la atmósfera por el núcleo en las condiciones de almacenamiento normales, es muy bajo.

Sistema aleante del alambre

2.1. Influencia de los elementos de aleación aportados por los materiales componentes de los alambres tubulares en las características de los depósitos

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 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 ferrocromo 75 significa que esta ferroaleación contiene como mínimo hasta un 75 % de Cromo, de manera similar ocurre para el ferromanganeso, el ferrovanadio, en la tabla 4 de los anexos se muestra la composición aproximada de algunas ferroaleaciones utilizadas en la preparación de la carga aleante de los alambres tubulares.

Cada elemento de aleación aportado al metal por estas ferroaleaciones cumple una función específica relacionada con la estructura y propiedades del deposito, los cuales en su conjunto condicionan la resistencia a determinados regímenes de trabajo. Así por ejemplo, el cromo proporciona propiedades tales como: alta dureza, resistencia a la corrosión y gran conductividad térmica. Dicho elemento suministrado fundamentalmente por ferrocromo el cual contiene de 60-80% de cromo con cantidades variables del carbono, se utiliza como elemento aleante en numerosas aleaciones, mediante su adición junto con el níquel se obtienen aleaciones caracterizadas por una elevada resistencia a la rotura y la corrosión, incluso a temperaturas altas.

El manganeso le comunica a los depósitos características especiales como: resistencia al desgaste, tenacidad y dureza, se conoce que este elemento en cantidades superiores al 13 % confiere al depósito características especiales referidas al autoendurecimiento producto de los golpes durante el trabajo, este tipo de depósito es conocido como Hadfield o autoendurecible. También se utiliza al manganeso como aleante de metales no férreos como el aluminio donde actúa como elemento endurecedor 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 molibdeno. Estas aleaciones además de tener un costo moderado poseen propiedades físicas muy mejoradas como: alta resistencia a la corrosión tanto en la atmósfera 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.

Se plantea que el volframio en contenidos de (0,8-1,8)( aumenta la dureza y capacidad de trabajo a elevadas temperaturas de los depósitos. La resistencia a la tracción y él limite de fluencia son aumentados aproximadamente en (40 Mpa) por cada 1( adicionado. La ductilidad se eleva ligeramente, para contenidos superiores al 1(, además, disminuye la tendencia al sobrecalentamiento aumentando la templabilidad. En los aceros conocidos como aceros rápidos es el elemento fundamental elevando la resistencia al filo en las herramientas de corte fundamentalmente cuando se trabaja a elevadas temperaturas (t >400(C). Los depósitos que poseen este elemento combinado con el cromo y el manganeso se consideran autotemplables. Finalmente señalaremos que durante la soldadura se oxida fuertemente por cuanto exige una fuerte protección contra él oxigeno. La estructura por lo general es muy fina, el wolframio permite la conservación de la dureza durante el calentamiento y el aumento de la resistencia al desgaste. En aceros de alta aleación es alfágeno y mejora las propiedades mecánicas en caliente y en frío aunque no tiene influencias directas sobre la resistencia a la corrosión.

Cuando el contenido de silicio en el acero esta por debajo de 0,5% se considera como una impureza, por el contrario si su contenido es mayor al 0.5 % entonces el acero debe considerarse aleado. El silicio es un elemento alfágeno, reductor enérgico del acero, lo mismo que el manganeso, si su contenido aumenta, aumenta la tendencia al agrietamiento durante la soldadura y varia según el tipo de acero, el modo de elaboración y la concentración de carbono y de manganeso, ha de limitarse en los aceros de construcción de (0,15-0,30)( , si bien en el metal fundido de los electrodos puede admitirse hasta 0,40-0,50(.

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. Cuando su valor es eleva por encima de 0.3, sin la presencia de otros elementos aleantes, se considera un elemento de aleación determinante en las propiedades de los depósitos como soldabilidad, templabilidad y dureza.

De forma general en los electrodos y alambres blandos de baja aleación el propio balance de desnitrificación y desoxidación (en el caso de alambres electrodos Autoprotegidos) se mantendrá para proporcionar un deposito con adecuada ductilidad y dureza.

Elementos desoxidantes tales como el silicio y el manganeso, combinados con oxigeno forman óxidos estables los cuales ayudan a controlar las perdidas de elementos aleantes a través de la oxidación y la formación de monóxido de carbono que de otra manera podrían causar porosidad.

En la tabla 2 se aprecian algunos elementos de aleación que comúnmente se encuentran en la conformación de la carga aleante para este tipo de consumible y la forma general en que se suministran:

Tabla 2. Algunos elementos de aleación presentes en los alambres tubulares y la forma más usual de presentación.

2.2 Selección del sistema aleante a utilizar

La selección del sistema aleante de un material de aporte destinado al recubrimiento superficial parte del estudio preliminar del régimen de trabajo de la pieza a rellenar, lo que permite determinar el o los mecanismos de desgaste predominantes en la superficie de las piezas para las cuales se destina el consumible. La literatura reporta varias clasificaciones para el desgaste que manifiesta en las piezas, ya en el año 1938 Siebel clasificaba el desgaste atendiendo al movimiento relativo entre los cuerpos, en el año 1957 Barwell definía los tipos de desgaste según el mecanismo de formación como:

Desgaste por fatiga superficial.

Desgaste abrasivo.

Desgaste adhesivo.

Desgaste Corrosivo Mecánico.

La clasificación de Barwell es la más utilizada en la actualidad, en nuestro caso particular se pretende desarrollar un electrodo tubular destinado al relleno superficial de piezas sometidas a desgaste por abrasión, cuyos sistemas aleantes están ampliamente difundidos por la literatura especializada en el ámbito mundial. Específicamente este alambre es destinado a la recuperación de piezas que estén sometidas a desgaste abrasivo moderado.

Existe un criterio común en las fuentes consultadas, donde se refiere que las aleaciones resistentes al desgaste por abrasión deben garantizar la presencia de carburos de diferente naturaleza en el sentido de contrarrestar la elevada dureza de las partículas abrasivas de diferentes minerales tales como el feldespato y cuarzo elementos que están presentes en la mayoría de los suelos cubanos donde trabajan gran cantidad de equipos pesados.

Los carburos son microconstituyentes donde el elemento fundamental o base es el carbono. Los elementos que pueden formar carburos son aquellos que se ubican en la tabla periódica a la izquierda del hierro. Los carburos según la red estructural se dividen en:

Red regular.

Red hexagonal.

Red rómbica.

Los carburos de red regular son los más estables y difíciles de disolver, por esta razón, la presencia de los carburos de red regular son los más importantes dentro de los microconstituyentes que pueden aparecer en las aleaciones empleadas en el recubrimiento superficial, pues independientemente del régimen térmico utilizado durante el relleno, éstos no se disuelven y mantienen su configuración dentro de la estructura. Los carburos hexagonales tienen menos estabilidad y menor aún los de red rómbica. Estos carburos se mantienen siempre como microconstituyentes bajo condiciones de calentamiento y enfriamiento determinado.

Se puede plantear que los carburos presentes en las aleaciones utilizadas en el relleno superficial no existen puros. Carburos de todos los elementos de aleación contienen hierro en disolución. Si en la aleación existen varios elementos capaces de formar carburos, los mismos están constituidos por estos elementos. En las aleaciones con contenidos significativos de Cromo y Manganeso, se forma el carburo

el cual presenta Hierro y Manganeso en disolución.

Atendiendo a este comportamiento las variantes de formación de Carburos en las aleaciones empleadas en el relleno superficial son las siguientes:

En este caso M significa la suma de los elementos que forman Carburos Metálicos.

Como se observa los carburos del grupo II constituyen fases de inserción muy difíciles de disolver en la Austenita. Esto significa que durante el calentamiento, pueden no pasar a ser una solución sólida, sino que se permanecen en la matriz como inclusiones duras, de aquí su importancia en el recubrimiento superficial.

No obstante se conoce que la resistencia al desgaste de un depósito no depende solamente de la presencia de carburos pues existen otros factores que influyen, tal es el caso de la morfología de la estructura, es decir, la presencia de micro constituyentes en la estructura, tamaño, orientación y su proporción con respecto a la matriz.

Atendiendo a estos aspectos en los depósitos se pueden definir morfológicamente dos zonas:

Matriz.

Micro constituyentes duros.

Para cada mecanismo de desgaste existen estructuras que son muchos más resistentes que otras y por lo tanto son las más recomendadas en cada caso.

Para obtener una morfología determinada en las aleaciones aportadas durante el recubrimiento superficial es necesario considerar la composición química del material aportado y del metal base, así como el ciclo térmico impuesto a la aleación. En el caso particular de aleaciones resistentes al desgaste abrasivo existen recomendaciones sobre el tipo de matriz que ofrece los mejores resultados para dicho mecanismo de deterioro y por tal razón el sistema aleante responde también a la obtención de una estructura determinada.

Para el caso de abrasión moderada el sistema más extendido está compuesto esencialmente por el carbono y el cromo, la función de estos elementos es lograr diferentes tipos de carburos de cromo en la estructura del depósito. La adición de otros elementos en el sistema C-Fe-Cr favorece la formación de los carburos, aunque su efecto fundamental está dirigido a la obtención de una matriz con propiedades que contribuyan a incrementar la resistencia al desgaste, incrementar la tenacidad del depósito etc. Entre estos elementos están por ejemplo el Silicio, Manganeso, Molibdeno, Vanadio, Níquel y Wolframio.

Sistema de escorias

3.1 Aspectos Generales sobre los sistemas de escorias

Las escorias de soldadura surgen como resultado de la "fusión" de diferentes óxidos y sales en la zona del arco eléctrico, estos componentes son aportados por los distintos elementos que participan en el proceso de soldadura, fundamentalmente por los consumibles (fundentes, revestimientos de electrodos etc.). De forma general las escorias poseen menor peso específico que el metal líquido razón por la cual se sitúan en lo fundamental sobre la superficie del baño metálico .

Las escorias de soldadura deben cumplir las siguientes funciones metalúrgicas y tecnológicas:

Protección del metal líquido del contacto directo con el aire.

Realización de los procesos de oxidación, aleación y afino del metal.

Mejoramiento del régimen de la soldadura mediante la disminución de la velocidad de enfriamiento del metal.

Garantizar la correcta obtención del metal de la costura.

El cumplimiento de las mismas es atribuible a la combinación de las propiedades físicas y químicas de las escorias.

Las propiedades químicas de la escoria en gran medida quedan determinadas por su grado de acidez o por su valor inverso, el grado de basicidad de la escoria.

El grado de acidez "N" se determina por la relación entre la suma de los por cientos moleculares ácidos y la de los básicos de los óxidos presentes en la escoria dada:

N =((M % óxidos ácidos) / ( ( M % óxidos básicos)

En las escorias de soldadura, se encuentran óxidos ácidos, tales como el SiO2, TiO2, ZrO2, B2O3 y otros, así como óxidos básicos como el FeO, MnO, Na2O, K2O, CaO, BaO, MgO y otros. Además de estos dos grupos de óxidos, en las escorias también se puede encontrar los llamados óxidos anfotéricos, los cuales se comportan como básicos, formando compuestos complejos con los ácidos, cuando la cantidad de óxidos básicos es insuficiente, o a la inversa, se comportan como ácidos cuando hay un exceso de óxidos básicos. Se conoce como este tipo de óxido al Al2O3, Fe2O3, Cr2O3, entre otros.

Si el grado de acidez es mayor que la unidad, la escoria se considera ácida, y si su valor es menor que la unidad entonces se considera básica. Es importante señalar que la forma más extendida para denominar esta propiedad es el grado de basicidad. Esta denominación es convencional, ya que en la determinación de la magnitud "N" no se toma en consideración la actividad de cada uno de sus óxidos. Son posibles los casos, cuando el valor formal de "N" indica que la escoria es ácida (N >1) sin embargo, debido a la presencia en ella de óxidos ácidos débiles y óxidos básicos fuertes el fundente resultara básico por el carácter de su acción metalúrgica.

A continuación se señalan las propiedades físicas fundamentales de las escorias:

Sus constantes térmicas: temperatura de fusión y de reblandecimiento, capacidad calorífica, calor latente de fusión, entalpía de formación.

Viscosidad en estado líquido y su variación con la temperatura.

Permeabilidad gaseosa.

Densidad en estado líquido.

Propiedades que determinan el desprendimiento de la escoria del metal de la costura en estado sólido como puede ser el coeficiente de dilatación lineal o volumétrico cuando son escorias largas.

La determinación exacta de la temperatura de fusión de las escorias resulta difícil, ya que los correspondientes puntos críticos de transformación no siempre están expresados de forma precisa y con frecuencia no se conocen. Para las escorias resulta adecuado estimar el parámetro intervalo de fusión, el cual se encuentra entre la temperatura de ablandamiento de la escoria (reblandecimiento) y su paso al estado líquido correspondiente a la total fusión. El intervalo de fusión de las escorias ácidas generalmente es mayor que para las básicas.

Se deben distinguir las temperaturas de reblandecimiento y de fusión de las escorias de la temperatura de formación de las mismas en el caso particular de la fusión de revestimientos de electrodos o fundentes, ya que los primeros son en esencia mezclas mecánicas de componentes molidos unidos en muchas ocasiones utilizando aglutinantes de varios tipos y composición. Para estas escorias es característica la temperatura de fusión de la mezcla de óxidos (por ejemplo, el revestimiento del electrodo).

La actividad de la escoria líquida durante su interacción con el metal depende en gran medida de su viscosidad y del carácter de su variación con el crecimiento de la temperatura. Según las curvas de viscosidad, que se construyen para diferentes tipos de escoria, se pueden estimar las particularidades del comportamiento de las escorias en su transición del estado líquido al sólido. Las curvas correspondientes a las llamadas "escorias cortas muestran que la viscosidad es casi constante en los limites de 1100 hasta 1400 0C. A una temperatura, del orden de los 1100 0C, la viscosidad de la escoria corta aumenta bruscamente y se solidifica. De esta forma, la "escoria corta" rápidamente solidifica desde la superficie, permaneciendo en este tiempo en estado líquido en la zona de contacto con el metal en cristalización; esto permite tanto la salida libre de los gases del metal, como la correspondiente formación de la costura. Las "escorias cortas", son como regla, escorias básicas.

En las curvas correspondientes a las llamadas "escorias largas", mucho más densas, la viscosidad disminuye lentamente en el intervalo de temperatura de 1100 1400 0C. Estas escorias pasan poco a poco al principio del estado líquido a la forma pastosa y después al estado sólido, y por eso es difícil establecer la temperatura de comienzo de su solidificación. El paso de un estado pastoso al estado sólido se realiza con el crecimiento de la viscosidad de la escoria en la cual se dificulta la reagrupación de partículas, necesarias para la obtención de la red cristalina. Por eso las "escorias largas" no cristalizan y pasan entonces a una masa amorfa vítrea. Las "escorias largas" son generalmente ácidas. Cuanto mayor es el contenido de SiO2 en la escoria, tanta más alta es su viscosidad. Los silicatos de calcio son los que con mayor fuerza elevan la viscosidad de la escoria.

De la viscosidad de la escoria depende su permeabilidad a los gases, es decir, su capacidad para dejar escapar los gases que se desprenden en el proceso de soldadura como consecuencia de las reacciones químicas que ocurren.

Se conoce que la velocidad con que se desprenden los gases del metal depende de su presión bajo la superficie del metal. Si las escorias tienen una mala permeabilidad a los gases, entonces sobre la superficie del metal se crea una presión elevada de los gases, obstaculizando su posterior desprendimiento. En este caso en la costura se observa porosidad y sobre la superficie de la costura, pequeñas hondonadas o abolladuras, rayado.

Las escoria densas tienen mala permeabilidad gaseosa, y las escorias "móviles y poco viscosas una alta permeabilidad. En las escorias fluidas, el rápido desprendimiento de gases del metal esta acompañado del arrastre de inclusiones de escorias lo que asegura una mejor limpieza del metal de la costura. Por eso es importante seleccionar hábilmente las correspondientes adiciones a la escoria con el fin de influir sobre su viscosidad en las direcciones necesarias.

Como se puede apreciar para la soldadura es deseable obtener escorias de poca viscosidad, de fácil movimiento o ligeras y rápida solidificación o endurecimiento.

Otro aspecto de interés en los procesos de soldadura es el desprendimiento con facilidad de la escoria de la superficie de la costura. El desprendimiento fácil de la costra de escoria depende de una serie de causas, en particular de la capacidad oxidante de las escorias.

Una elevada capacidad oxidante puede empeorar bruscamente la capacidad de desprendimiento de la costra de la escoria de la superficie de la costura. En realidad, si la concentración de los óxidos de hierro en la escoria es elevada, la oxidación de las capas superficiales del metal puede ocurrir incluso hasta su solidificación. Sobre la superficie del metal se forma una película de óxido, compuesta fundamentalmente de FeO cristalizado en el sistema cúbico. La red cristalina del FeO es una estructura sobre la base de una red cúbica de Fe-( por eso la película de óxido se agarra fácilmente sobre la superficie del metal.

Finalmente veamos cuales son los principales sistemas de escorias utilizados en soldadura. Dependiendo de la composición de las escorias de soldadura comúnmente se agrupan en tres grupos.

Escorias del tipo de óxidos.

Escorias del tipo de sales, fluoruros y cloruros de los metales alcalinos y alcalinos térreos.

Escorias del tipo de óxido – sales, compuesta por la combinación de óxidos y sales.

Independientemente de que pertenezcan a uno u otro grupo, la mayoría de las escorias están compuestas por bases de adiciones y de impurezas, la base de las escorias representan o constituyen el sistema de escoria. El estudio de tales sistemas generalmente se efectúan mediante la ayuda de los diagramas de estado, los cuales se elaboran normalmente para sistemas binarios y ternarios. Ya que los sistemas de escoria con frecuencia tienen composiciones complejas, se selecciona el sistema de base triple y después se establece la influencia sobre los restantes componentes de la escoria.

3.2 Selección del sistema de escorias para el alambre tubular autoprotegido

Como se conoce en los alambres tubulares autoprotegidos el sistema de escorias debe asegurar, además, la protección del baño de soldadura a partir de la formación de una capa gaseosa como resultado de la descomposición de algunos elementos que componen el sistema, por lo que resulta de gran importancia una correcta selección de los mismos.

Para la selección de los componentes de la carga del alambre o flux (escorias y carga aleante) debemos considerar que este sistema posee las siguientes características:

En su composición están presentes los elementos que generan con su descomposición el gas protector del baño metálico.

Sus componentes son los encargados de generar la escoria necesaria y controlar sus propiedades metalúrgicas y físicas.

Están presentes elementos estabilizadores del arco, los desoxidantes y desnitrificantes.

Se añaden los elementos aleantes en forma de ferroaleaciones o elementos metálicos, también puede estar presente el polvo de hierro.