Dentro de estas características el sistema de escorias debe asegurar la compatibilidad Metalúrgica y Tecnológica del alambre, lo cual se logra cumplimentando los aspectos 1, 2 y 3 referidos con anterioridad asegurando de esta forma la calidad del metal que se deposita.
Como se puede apreciar la selección del sistema de Escorias a utilizar se convierte en un problema complejo dadas las condiciones tan disimiles a las que deben responder los diferentes consumibles.
Como hemos dicho, en el mundo existen varios sistemas de escorias estudiados y que son utilizados por los productores, la mayoría de ellos patentados, donde por lo general estos consideran la composición precisa de los alambres como una información de su propiedad (KNOW HOW) ya que con la combinación correcta de las propiedades de los ingredientes del núcleo y la composición de la envoltura es posible la configuración de los alambres para determinadas aplicaciones.
Lograr un determinado sistema aleante en él deposito esta regido, en gran medida, por los materiales que se añaden en el núcleo del alambre tubular, la preparación y pureza de los mismos, así como por el tipo de protección utilizada para efectuar la soldadura. Estos factores son importantes para decidir no solo el sistema de óxidos y la carga aleante a utilizar sino las cantidades o proporciones de cada elemento.
Refiriéndonos a la literatura se puede plantear que existen criterios variados atendiendo a las condiciones de producción de cada fabricante y la aplicación del material por lo que resulta difícil tener un criterio de selección categórico, en la tabla 6 de los anexos podemos apreciar un resumen de los resultados obtenidos en una revisión de patentes donde fueron analizadas más de 25 invenciones referidas al tema, de las cuales se seleccionaron 18 cuyas formulaciones son reflejadas en la tabla.
Para ilustrar el estudio realizado, analicemos en detalle algunas formulaciones desarrolladas por algunos investigadores.
En trabajos realizados por los investigadores Japoneses Katsumi y Tetsoo , se recomienda emplear en la carga de los alambres tubulares la formulación que se muestra a continuación.
Tabla 4. Formulación general para alambre autoprotegido recomendada por Katsumi y Tetsoo.
(valores referidos al peso total del fundente el cual resulta de un 10 a un 30 % del peso total del electrodo).
Como se puede apreciar estos autores brindan una composición muy general fundamentalmente para el caso de los elementos estabilizadores del arco y los desoxidantes pero no se precisa cual o cuales serán estos elementos ni sus proporciones para casos específicos, sin embargo, permiten ubicar aproximadamente los rangos de algunos elementos como la sílice cuya influencia decisiva en la viscosidad de la escoria abordamos en el inicio de este epígrafe.
Veamos que nos propone Von R. Killing, investigador Alemán, que se ha dedicado al estudio de los materiales utilizados en los procesos de soldadura con gases protectores y los autoprotegidos. Son varias las formulaciones que ha estudiado este científico para alambres autoprotegidos ejemplo de ellas son las siguientes:
Tabla 5. Formulaciones para alambres tubulares autoprotegidos, según Killing.
Como se puede apreciar en todas las variantes que propone este autor hay puntos de coincidencia con Katsumi y Tetsoo y resulta interesante destacar la utilización de sistemas de escoria del tipo Oxido- Sales fundamentalmente compuestos por Rutilo, Fluorita y Calcita es notable señalar que todas estas formulaciones responden muchas veces a los recursos minerales del país donde se desarrolla la investigación o la posibilidad de disponer de ellos en un mercado seguro y ventajosos.
En varias patentes publicadas por un colectivo de autores encabezados por el japonés Tadashi Matsumoto , investigador de la firma Japonesa Nippon Steel Corporation, se plantean las siguientes formulaciones para alambres tubulares autoprotegidos:
Tabla 6. Formulaciones para Alambres Tubulares Autoprotegidos, según Matsumoto ( cantidades en %).
En todas las variantes propuestas por este autor se reitera el uso de sistemas de escorias utilizando Fluoruros prevaleciendo en este caso el Fluoruro de Calcio o Fluorita. El uso de los Carbonatos de Calcio y Magnesio que al descomponerse producen cantidades apreciables de gas CO2 favorece la protección del metal que se aporta en el cordón. En este caso el autor trabaja con un fluoruro metálico complejo compuesto por fluoruro de Cesio en valores del 1 al 30 % y el resto de un fluoruro compuesto con adiciones de fluoruro de Litio (LiF), fluoruro de Cesio (CeF2) y un fluoruro de Circonio y Potasio (K2ZrF6), la utilización de este compuesto le permite la producción del gas protector a partir de la descomposición del CaF2 o Fluorita.
En los trabajos de Mario Amata, investigador adjunto a los laboratorios de la compañía Lincoln Electric Company, radicada en Cleveland, Ohio USA se realiza un estudio de formulaciones para alambres tubulares autoprotegidos destinados a la soldadura de aceros de mediana aleación cuyos cordones de soldadura necesitan valores altos de impacto y buenas características de formación del cordón para la soldadura sobre cabeza y vertical descendente.
Este investigador estudio la influencia de varios elementos y sus cantidades sobre propiedades como el desprendimiento de la escoria, los valores de impacto del deposito, la estabilidad del arco y la porosidad del cordón lo cual le permitió seleccionar la siguiente formulación:
Tabla 7. Formulación propuesta por Amanta para alambre autoprotegido (Cantidades expresadas en %).
Resulta interesante señalar en este trabajo el uso del aluminio metálico como elemento desoxidante debido a que en la mayoría de las ocasiones el uso de este material esta limitado debido a sus características de elemento fijador de nitrógeno lo que provoca la presencia de Nitruros o nitrógeno soluble en el deposito factores metalúrgicos que afectan la tenacidad del mismo.
En varios trabajos realizados en la línea de desarrollo de materiales para Soldar del Centro de Investigaciones de Soldadura de la Universidad Central, en Cuba, se ha trabajado en la obtención de sistemas de escorias fundamentalmente destinados a la fabricación de electrodos tubulares para el relleno superficial utilizando el proceso de soldadura manual (SMAW). En estos trabajos se utilizan minerales cubanos como el feldespato (68 % SiO2), el caolín, la Calcita y la Fluorita, los cuales se obtienen de yacimientos en explotación a lo largo del país.
Por ejemplo, en los trabajos vinculados con la obtención de un electrodo revestido para el relleno superficial de los centralizadores estabilizadores utilizados en las labores de perforación, encontramos que la formulación del revestimiento del electrodo tubular tiene la siguiente composición:
Tabla 8. Composición del revestimiento de electrodos tubulares para el relleno superficial
En este caso resulto que la mezcla de mejor comportamiento es la correspondiente a la variante 2, o sea, 20% de Rutilo, 10% de Fluorita y 10% de Feldespato.
Finalmente se ha valorado del estudio de la literatura que los sistemas de escoria del tipo Oxidos-Sales son los más difundidos utilizando como componentes principales los fluoruros, los carbonatos, el rutilo, la sílice y el Oxido de Zirconio por mencionar los fundamentales.
Dentro del grupo de los fluoruros el de mayor incidencia es el fluoruro de calcio o Fluorita, dentro de los carbonatos se utilizan mucho los de Calcio y de Zirconio. Veamos ahora algunas características de estos componentes que pueden justificar su uso en estos sistemas de escoria.
El óxido de silicio, SiO2,: es un óxido fuertemente ácido, participa en la reacción con los óxidos básicos formando compuestos complejos como los silicatos. El SiO2 eleva la viscosidad de la escoria y posibilita la obtención de escorias largas y densas. El dióxido de silicio no es soluble en el metal, su temperatura de fusión es de 1710 0C y su densidad es ( = 2,3 g/cm3 .
El fluoruro de Calcio, CaF2: constituye un diluente de escoria, fundamentalmente de las básicas. Aumenta la fluidez de la escoria. Se emplea en calidad de fundente en la soldadura por arco eléctrico de los aceros austeníticos al cromo – níquel y también para soldadura por electroescoria del titanio. La temperatura de fusión del fluoruro de calcio es de 1411 0C, la temperatura de ebullición llega ser de 2513 0C.
El óxido de Titanio, TiO2: es un óxido ácido (le sigue en fortaleza al SiO2) que forma con los óxidos básicos, como el CaO, complejos de fácil fusión y móviles, como los titanatos. Posibilita la obtención de escorias cortas, las que tienen una gran permeabilidad a los gases. No es soluble en el metal. (Tf = 1850 0C, ( = 4,2 g/cm3)
El óxido de Calcio, CaO; resulta ser un fuerte óxido básico, el cual forma uniones complejas. Es muy resistente y se disocia muy débilmente. Permite la eliminación del azufre y el fósforo obligándolos a que pasen a la escoria. Eleva la viscosidad de las escorias. No es soluble en el metal (Tf = 2575 0C, ( = 3,4 g/cm3).
El Oxido de Zirconio, ZrO2: es un oxido ácido, con características similares al TiO2, en muchas ocasiones lo sustituye en los sistemas de escorias debido a que mejora las características básicas de la escoria y favorece la estabilidad del arco, en Cuba no se existen yacimientos de este material.
Como se puede apreciar la combinación de estos elementos y sus propiedades permiten la obtención de diferentes características para los sistemas de escorias como pueden ser poca viscosidad, fácil desprendimiento y rápida solidificación o endurecimiento lo cual, como se ha dicho, son características deseadas en el comportamiento de las escorias de soldadura.
Muchos autores coinciden en la utilización del Rutilo (TiO2) en los sistemas del tipo Oxidos-Sales debido a las características favorables que aporta al sistema referidas esencialmente a la estabilidad del arco y al desprendimiento de la escoria. El efecto del rutilo a favor de la estabilidad del arco esta relacionado con la descomposición de este mineral como consecuencia de las elevadas temperaturas del arco, según Eslibisky, para una temperatura cercana a la existente en el arco (6000ºC) puede ionizarse solo por el efecto del calor el 10 % del Rutilo presente, por lo que la presencia de los electrones libres derivados de tal proceso incrementan notablemente la estabilidad de la corriente entre el electrodo y la pieza.
Resulta favorable señalar que el Rutilo combinado con algunos óxidos forma compuestos Eutécticos que poseen bajo punto de fusión lo cual resulta importante para los sistemas de escoria, en la tabla 9 se muestran estos valores:
Tabla 9. Temperatura de fusión de algunas eutécticas del Rutilo con diferentes Óxidos
Como se puede apreciar la eutéctica formada con el oxido de calcio posee la menor temperatura de fusión (1450ºC) aspecto que favorece la escoria y justifica el uso de Calcita en la mayoría de los sistemas estudiados ya que en la regulación de la relación CaO-TiO2 reside la clave de la formación de los titanatos y de los compuestos eutécticos.
Por otro lado se conoce que el rutilo puede variar fácilmente sus propiedades químicas desde oxido débilmente ácido hasta básico (TiO2—TiO) en condiciones reductoras, aspecto que favorece la basicidad de la escoria característica sumamente importante en los resultados finales del depósito.
1.4 Clasificación
La American Welding Society (AWS) da una clasificación del alambre tubular para la soldadura de arco, como se detalla a continuación:
AWS E X Y T – Z
E- Designación de electrodo para soldadura.
X- Indica la resistencia mínima a la tracción (en 10.000 libras por pulgada cuadrada) de la soldadura de metal depositado.
Y- Posición de soldadura: 0 – plana, horizontal, 1 – todas
T- Indica un electrodo tubular con fundente en la carga.
Z- Características de uso operacional.
Nota: Cuando tiene la letra "T" significa que la carga esta compuesta prácticamente por elementos metálicos. Cuando se sustituye por la letra "C", indica que la carga esta compuesta por elementos minerales y metálicos.
La tabla 1 se indica las características del electrodo según el último digito (letra Z) según la clasificación de los alambres tubulares para la soldadura de los aceros al carbono.
Tabla 1 . Significado del ultimo dígito de la clasificación de alambres tubulares para la soldadura de los aceros al carbono (ASME, 1983).
a Designación EXXT-9 está intencionalmente omitida.
bConforme a lo acordado entre usuario o el suministrador.
Esta especificación abarca doce diferentes tipos de electrodos, cuya carga incluye elementos minerales y metálicos. Cada sufijo (T-1, T-2, T-3, T-4, T-5, T-6, T-7, T-8, T-10, T-11, BT y T-SG) indica una clase general de electrodos que contienen componentes similares formadores de escoria y que tienen similares características de aplicabilidad.
Clasificación T-1: Los electrodos del grupo T-1 en esta especificación utilizan el CO2 como gas de protección. Sin embargo, también se utilizan mezclas de argón-CO2 para mejorar la aplicabilidad de los electrodos, especialmente para los casos donde se requieren soldadura fuera de posición. Reducir los niveles de CO2 provoca un aumento en los niveles de manganeso y silicio en los depósitos y puede mejorar las propiedades de impacto. Estos electrodos están diseñados para soldar en una sola pasada y en varios pases. Los alambres por lo general superiores a 2,0 mm, están limitados a la posición plana y en el ángulo horizontal. Los diámetros más pequeños, menos de o igual a 1,6 mm, se utilizan para la soldadura en todas las posiciones. Los electrodos del tipo T-1 ofrecen determinadas perdidas por salpicaduras debido al tipo de transferencia cuya geometría del cordón es plana o ligeramente convexa, donde un volumen moderado de escoria cubre por completo el cordón de soldadura. De los electrodos de este grupo, la mayoría tiene una escoria de rutilo.
Clasificación T-2: Los electrodos de esta clasificación son prácticamente similares a los del tipo T-1, pero con altos niveles de manganeso y silicio, o ambos, y están diseñados principalmente para la soldadura en una sola pasada en la posición plana, y la soldadura ángulo en la posición horizontal.
Clasificación T-3: Los electrodos de esta clasificación son autoprotegidos, utilizando polaridad invertida, y transferencia del tipo spray. El sistema de escoria está diseñado para proporcionar las características especiales que hacen posible la obtención de alta velocidad de soldadura.
Clasificación T-4: La electrodos T-4 son autoprotegidos y operan con polaridad invertida, cuya transferencia es del tipo de globular. El sistema de escoria está diseñado para permitir las altas tasas de deposición de soldadura y desulfuración del metal hasta niveles muy bajos, muy resistente al agrietamiento.
Estos electrodos están diseñados para lograr una penetración más allá de la raíz de la soldadura, lo que permite su uso en juntas con los pobres de ajuste, y para soldar en una sola pasada o en varios pases en el plano horizontal y en posiciones.
Clasificación T-5: Los electrodos del grupo T-5 está diseñado para su uso con la protección de CO2 (se pueden utilizar mezclas de argón-CO2, de manera similar a los electrodos utilizados con T-1). Estos electrodos se caracterizan por una transferencia de tipo globular, y los cordones tienen un contorno ligeramente convexo y una fina capa escoria, que no cubre totalmente el metal depositado. Los electrodos de este grupo se le adicionan a la carga aleante ciertas cantidades de fluoruro de calcio. Los depósitos de soldadura producidos por T-5 tienen excelente resistencia al impacto y al agrietamiento superando sustancialmente a los de base rutilo.
Clasificación T-6: Los electrodos de esta clasificación son autoprotegidos, operan con polaridad invertida y el tipo de transferencia es globular. El sistema de escoria está diseñado para proporcionar buenas propiedades de impacto a temperaturas bajas y lograra valores de profundidad de penetración elevados. La escoria puede ser eliminada fácilmente. Estos electrodos se utilizan en la soldadura en una sola pasada o en varios pases en el plano horizontal y posiciones.
Clasificación T-7: Los electrodos T-7 son autoprotegidos, operan con los corriente continua y polaridad normal. El sistema de escoria está diseñado para proporcionar características especiales que permiten la utilización de estos electrodos con diámetros mayores para lograr altos índices de depósito y los menores en todas las posiciones. La escoria del sistema también está diseñado para desulfurizar el metal depositado hasta niveles muy bajos, lo que favorece la realización de cordones resistentes a las grietas. Estos electrodos se utilizan en la soldadura realizada en un solo pase o varios.
Clasificación T-8: Los electrodos de esta clasificación son autoprotegidos, y se utilizan con corriente continua y polaridad normal. El sistema de escoria está diseñado para proporcionar determinadas funciones a los electrodos, lo que los hace aptos para soldadura en todas las posiciones. El sistema de escoria también está diseñado para producir un metal de soldadura, excelente, con altas propiedades de impacto a bajas temperaturas, y para garantizar la desulfuración a niveles muy bajos, lo que favorece la resistencia al agrietamiento del metal depositado. Estos electrodos se utilizan en la soldadura realizada en un solo pase o varios.
Clasificación T-10: Los electrodos T-10 son autoprotegidos, y funcionan con corriente directa y polaridad normal. El sistema de escoria está compuesto para garantizar altas velocidades de avance de la soldadura. Estos electrodos se usan para soldar en una sola pasada, y espesores diferentes, en posición plana, horizontal, vertical y hacia abajo (en ángulos de hasta 20).
Clasificación T-11: Los electrodos T-11 son autoprotegidos, operan con corriente continua y polaridades normal. La transferencia es por gota fina o spray, aunque el arco es relativamente tranquilo. El sistema de escoria está diseñado con ciertas características, permitiendo que los electrodos se puede utilizar en todas las posiciones de soldadura, con una alta velocidad de deposito. Estos electrodos se utilizan para aplicaciones generales de soldadura en una sola pasada o en múltiples pases en todas las posiciones.
Clasificación EXXT-G: La clasificación EXXT-G, se refiere a los electrodos desarrollados recientemente para soldadura en varios pases, que no estén incluidos en ninguna de las clasificaciones definidas actualmente. Las propiedades obtenidas están incluidas en alguna manera por estas clasificaciones. El sistema de escoria, las características del arco, la apariencia del cordón y la polaridad, todavía no están definidas.
Clasificación EXXT-GS: La clasificación de la T-GS se refiere a los relativamente recientes electrodos desarrollados para la soldadura en una sola pasada y que no estén incluidos en ninguna de las clasificaciones definidas actualmente. Las propiedades de soldadura en una sola pasada pueden ser cubiertas de alguna manera por estas clasificaciones. El sistema de escoria, las características del arco, la aparición de la soldadura y la polaridad, todavía no están definidas.
1.5 Características operacionales y económicas
En comparación con la soldadura con electrodos revestidos y GMAW, el proceso de la soldadura de alambre tubular ofrece una mayor tasa de deposición y la posibilidad de reducción de los biseles, con la consiguiente ventaja económica de reducir el volumen del metal a depositar.
En la soldadura con alambre tubular autoprotegido hay flexibilidad para el uso de grandes longitudes de cable de electrodos, lo que facilita el aumento de la tasa de deposición, el acceso y visibilidad a la parte inferior de los biseles en grandes espesores.
Es un proceso de soldadura recomendado en condiciones de campo ya que se logra una adecuada protección del baño incluso para velocidades del viento de hasta 5 m/seg. Además, es capaz de soldar en todas las posiciones.
Por otro lado la composición del fundente en el proceso de soldadura con electrodos tubulares garantiza el modo de transferencia de metal del tipo spray utilizando el CO2 como gas de protección, la cual solo se logra en el proceso GMAW cuando se utiliza el Argon como protección.
Una desventaja de la soldadura utilizando alambre tubular, es el alto costo relativo de la adición de los elementos aleantes, debido a las dificultades operativas en el proceso de fabricación, y también debido a la baja la demanda del mercado para el producto. La alta generación de humos durante la operación de soldadura junto a la necesidad de costos adicionales para la eliminación de escorias, siguen siendo los factores que inhiben el uso de este tipo de alambre en comparación a los sólidos utilizados en procesos de soldadura, GMAW y por arco sumergido.
1.7 Aspectos teóricos sobre el coeficiente de transferencia de los elementos de aleación
El coeficiente de transferencia 
se denomina a la relación de crecimiento o aumento de un elemento de aleación en la composición del metal de la costura respecto a la cantidad de este elemento introducido en la zona de soldadura. .
Para la determinación del coeficiente total de transferencia del elemento en el metal de la costura se puede emplear la siguiente ecuación.
a, b, c: partes de participación correspondientes al metal base, al alambre electrodo, revestimiento o fundente en formación del baño de soldadura.
En el caso de este tipo de alambres se aprovecha la facilidad de configurar la carga de minerales que poseen los elementos que luego van ha ser transferidos al deposito según las exigencias requeridas por las piezas. Por lo tanto el coeficiente de transferencia juega un papel fundamental en el análisis preliminar a la configuración de dicho alambre, es por ello que se considera de gran importancia señalar los factores que influyen en el mismo.
1. Grado de saturación (a medida que se transfiere el elemento hacia el metal depositado, crece el grado de saturación del metal con este y por lo tanto disminuye la asimilación por el metal de dicho elemento y el coeficiente de transferencia comienza a disminuir).
2. Contenido de escoria (el coeficiente de transferencia ( se incrementa con el crecimiento del contenido en la escoria del oxido libre del elemento de aleación. Por esto dicho coeficiente depende de la naturaleza química del oxido libre en la escoria para un carácter ácido del oxido libre, con el incremento del grado de acidez de la escoria ( crecerá .En una escoria básica el oxido ácido se manifiesta en un grado significativo combinados en complejos y por esto ( podrá ser menor).
3. Naturaleza físico químico de la sustancia (sobre la magnitud del coeficiente de transferencia influye la naturaleza físico químico de la sustancia que contiene el elemento).
4. Grado de afinidad por él oxigeno (en condiciones iguales, el coeficiente de transferencia mas alto lo tendrá el elemento que posea el menor grado de afinidad con él oxigeno)
5. Elementos de aleación.
6. Granulometría, sobre el coeficiente de transferencia influye el grado de granulación de los componentes de aleación introducidos en el revestimiento del electrodo ya que cuanto mayor sean las partículas, tanto mayor se transfiere el elemento al metal puesto que con el aumento de las dimensiones sumarias de las partículas disminuye las perdidas a causa de la oxidación y evaporación. Además de lo mencionado el coeficiente de transferencia depende del régimen y parámetro del régimen y parámetros del régimen de soldadura, el carácter del medio gaseoso, la presencia en la zona de soldadura de desoxidantes activos y otros más.
Como conclusión se puede plantear que para el desarrollo de electrodos tubulares es necesario ante todo determinar el comportamiento del coeficiente de transferencia de los elementos de aleación de la carga empleada según el medio de protección empleado y el sistema de óxidos utilizado. Este último aspecto es imprescindible para el caso de los electrodos autoprotegidos.
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Autor:
Dr. Manuel Rodríguez Pérez
Centro de Investigaciones de Soldadura
Universidad Central Marta Abreu de Las Villas
Cuba
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