Efecto de la corriente sobre las propiedades de depósitos de un electrodo de recargue.

Resumen

Se aborda el estudio de la influencia de la corriente de soldadura sobre las propiedades de los depósitos (parámetros de consumo, dimensiones de los cordones, metalografía y dureza) realizados con el electrodo para recargue, con vista a optimizar régimen de aplicación. Para ello fueron realizados depósitos con tres valores de corriente, 120 A, 145 A y 160 A, respectivamente, registrándose el tiempo de soldadura, la longitud del cordón; así como la masa inicial y final de las probetas y el electrodo. A partir de los datos obtenidos se determinaron los parámetros de consumo. Llegándose a determinar el mejor régimen de soldadura donde se maximizan los elementos que caracterizan el depósito.

Introducción

La tecnología de soldadura de recargue actual permite prolongar la vida útil de las máquinas a un nivel superior a su diseño. Las piezas desgastadas pueden repararse y volverse a poner en servicio [1]. Con esto pueden lograrse ahorros considerables ya que se reducen los inventarios de piezas de repuesto y las piezas reparadas pueden durar más que la original. Sin embargo, en los momentos actuales donde el costo de los portadores energéticos y el particular el uso de la energía eléctrica es un elementos esencial ha la hora de establecer cualquier proceso tecnológico, se debe tratar por todos los medios que los procesos de relleno superficial por soldadura sean capaces de aportar grandes volúmenes de metal sin un gran incremento en el consumo de la corriente eléctrica

El electrodo en estudio (que deposita alto cromo, molibdeno y vanadio con medio carbono) es un material de aporte que se utiliza en las más variadas aplicaciones, entre estas podemos citar: puntas de raspadores de molinos en la industria azucarera, bordes de transportadores de sinfín en la industria de materiales de la construcción, alabes de ventiladores de tiro inducidos en la industria energética, etc., no existe información vinculada al comportamiento de los parámetros de consumo, dimensiones del cordón y comportamiento metalográfico con la variación de la corriente de soldadura [2], esto como es de esperar impide la elaboración de una tecnología de relleno. Es por ello que en este trabajo se ha trazado el objetivo de obtener las relaciones de los paramentos que caracterizan el deposito del electrodo (parámetros de consumo, forma y dimensiones del cordón y cuadro microestructural) con la corriente de soldadura.

Materiales y métodos

En el trabajo fue utilizado un electrodo de recargue de diámetro 4 mm y 350 mm de largo. Teniendo en cuenta que en el proceso SMAW, los elementos vinculados al consumo de la energía eléctrica son la corriente de soldadura (Is) y el voltaje de arco (Va), sin embargo este ultimo al igual que la velocidad de soldadura está asociada con la habilidad del soldador y que el voltaje no puede controlarse independientemente de la corriente se tomó como variable de entrada para los experimentos la corriente de soldadura (Is) (tratando de mantener constante la velocidad de soldadura). En el electrodo la corriente fue variada en un rango de 120 a 160 A. la planificación experimental se muestra en la tabla 1.

Tabla 1.

Para la obtención de los depósitos, y de esa forma para valorar la geometría de las uniones, chapas de prueba de acero AISI 1020 de 200 x 75 x 10 mm, las cuales fueron fijadas para evitar la deformación, luego de ser previamente limpiadas de herrumbres y otras suciedades.

El tiempo de arco fue medido por un cronómetro con precisión mínima de (0.2 seg. Luego de realizar los depósitos se limpiaron las planchas cuidadosamente con piqueta, cincel-martillo y cepillo de alambre para eliminar los restos de salpicaduras y escoria.La realización de este estudio se baso en la norma ISO 2406-2004 [3]. Los depósitos fueron cortados transversalmente con una cortadora metalográfica. Luego de pulido a espejo les fue realizado el ataque con nital al 2%, con vistas a revelar la forma del cordón (ancho y altura del refuerzo del cordón).

La composición química de los depósitos sin dilución fue determinada por emisión atómica. Los depósitos para análisis químico fueron obtenidos en base a la norma AWS A5.13-2002 "Specification for Surfacing Electrodes for Shielded Metal Arc Welding" [4].

A las probetas correspondientes a diferentes valores de corriente y debidamente preparadas y atacadas se le practicó la determinación de perfiles de microdureza partiendo desde el metal base en dirección ascendente hacia el metal depositado por el centro del depósito. La medición de la microdureza fue realizada con un microdurómetro Shimadzu con una carga aplicada de 100 g y con aumento de 400X. Se realizaron mediciones a 18 niveles del depósito para la probeta de 120 A y de 15 niveles para las de 145 y 160A. En cada nivel se realizaron 3 mediciones.

Se determinó para cada probeta (120 A, 145 A y 160 A, respectivamente) el valor medio de dureza Vickers, a partir de 3 mediciones en el centro superior del depósito.

Resultados y análisis

Resultados de los parámetros de consumo

En la tabla 2 se muestran los resultados del pesado de los materiales, antes y después de la realización de los depósitos. En la tabla se exponen también los diferentes tiempos de soldadura, el rendimiento real o eficiencia del depósito, la tasa de consumo y la tasa de deposición para las tres variantes del electrodo evaluadas con los diferentes valores de corriente.

Tabla 2 – Resultados de consumo y deposición del electrodo

De acuerdo a los resultados el rendimiento superior se obtiene con la menor intensidad de corriente de soldadura lo cual se puede apreciar en el figura 1. Por tanto desde este punto de vista el menor valor de corriente ofrece los mejores resultados de aplicación de recargue con este electrodo. Este hecho, que favorece el rendimiento para bajas corrientes (para 120 A), provoca un efecto negativo para mayores corrientes, donde se genera una mayor oxidación y pérdidas de los elementos de la carga aleante en el revestimiento, haciendo menor su incorporación al depósito metálico.

Figura. 1. Comportamiento del rendimento real o eficiencia del depósito del electrodo estudiado con la variación de la corriente.

Por otra parte se observa que al aumentar la corriente existe una tendencia al aumento en la tasa de consumo hasta el entorno de los 140 A y luego se satura (Figura 2). Este comportamiento podría estar asociado a las pérdidas por la descomposición de la caliza que sufre un proceso de disociación endotérmica (CaCO3= CaO+ CO2) en el entorno de 850 oC, un posterior aumento de la corriente (de la Energía de Entrada) no experimenta efecto ya que la propia oxidación de elementos desoxidantes (que se verifica con carácter exotérmico) que también aumenta con la Energía de Entrada hace un efecto compensatorio. Lo anterior se corresponde con el comportamiento de la Tasa de Deposición de la figura 3, donde se advierte que las pérdidas disminuyen en la medida que aumenta la corriente como prueba aún cuando el consumo se detiene, según la figura 2, los elementos de aleación siguen disminuyendo su transferencia al depósito. Es necesario plantear que en plena correspondencia con la tasa de consumo a partir de 145 A hay un cambio en la pendiente de la disminución.

Figura. 2- Variación de la tasa de consumo o fusión con la corriente de soldadura.

Figura 3. Variación de la tasa de deposición en función de la corriente de soldadura

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Comportamiento de la geometría del cordón con la variación de la corriente de soldadura

La geometría de los cordones está muy relacionada con la regularidad de su apariencia. Estos problemas de la irregularidad traen asociadas dificultades para establecer las dimensiones de los cordones, pero no impide que se realice haciendo cortes transversales de los depósitos en las zonas más representativas de un comportamiento medio. En la tabla 3 se muestran los resultados de las dimensiones de los cordones.

Tabla 3 Geometría de los cordones realizados con la variación de corrientes.

Con el aumento de la corriente la profundidad de penetración aumenta (figura 4). Esto es algo ampliamente abordado en la literatura especializada, estando su fundamento asociado a la potencia específica del arco, o sea la relación de calor generado hacia la pieza por unidad de tiempo y al área de contacto entre la pieza y el arco. En este trabajo se utilizó corriente continua con polaridad invertida (CC+), por tanto la zona catódica está en el metal base y el calor generado en esta zona (calor de la zona catódica, Qc) es responsable del calentamiento y fusión del metal base y la potencia específica asociada (QC/Ao), sería la responsable de la fusión local. La energía Qc está dada por la energía generada por el paso de los electrones por la zona catódica (QV=I·VC, donde Vc es la tensión catódica), menos la energía que se precisa para la emisión de eletrones en el cátodo(Q(=I·(, donde ( -función de trabajo) y la energía que se requiere para el calentamiento de este a la temperatura de arco (QT=3/2KTI/e, de T es la temperatura del arco, K la constante de Boltsman y e es la carga del electrón). O sea QC=I(VC-3/2(KT/e)- (), aumentando de forma proporcional con el aumento de la corriente [5].

Para el caso del ancho de los cordones existe una tendencia a la disminución con la corriente (figura 5) esto podría estar asociado a una disminución del metal depositados según la figura 3, que sin dudas se refleja en el área sobre la cual se distribuye el cordón, esto es considerando que no ocurran cambios significativos en la fluidez del metal fundido que se deposita.

Figura 4. Variación de la penetración de los cordones con la variación de la corriente.

Figura 5. Variación del ancho de los cordones con la variación de la corriente

En el caso de la altura de refuerzo (ver figura 6) el comportamiento es similar al ancho, disminuye con la corriente y evidentemente se explica por la misma causa que el ancho, por la disminución con la corriente de la Tasa de Deposición (figura 3).

El área de refuerzo (figura 7) disminuye con la corriente lo que esta en plena correspondencia con la disminución del ancho y la altura de refuerzo de los depósitos, lo que a su vez se corresponde con la disminución de la Tasa de deposición de la figura 3, como ya fue planteado. Por otra parte el área de fusión (figura 8) aumenta con la corriente como resultado de una mayor penetración

Figura 6. Variación de la altura del refuerzo de los cordones con la variación de la corriente.

Figura 7 Variación del área de refuerzo con la variación de la intensidad de corriente de soldadura

La dilución aumenta con el aumento de la corriente (figura 3.9), lo cual es algo esperado de los resultados del comportamiento de las áreas de penetración y depositada de las figuras 3.7 y 3.8. Tal comportamiento de la dilución en cierta medida resume el comportamiento de la geometría desde el punto de vista del recargue y da criterio del mejor comportamiento para menores corrientes, lo cual a su vez se corresponde con la mayor deposición para bajas corrientes [6]. Por tanto, dentro del rango evaluado los mejores resultados se obtienen para la corriente de 120 A y debe ser esta la preferente a utilizar para lograr los mejores resultados en el recargue.

Figura 8 Variación del área de fusión con la variación de la intensidad de corriente.

Figura 9 Variación del coeficiente de dilución con la variación de la intensidad de corriente

Caracterización química y metalográfica de los depósitos

La tabla 4 muestra la composición química del depósito sin dilución, obtenido con una corriente de 145 A. Se observa que el depósito está caracterizado por altos contenidos de Cr y niveles significativos de Mo y V que son elementos formadores de carburos a considerar en función al contenido de carbono del depósito [7].

Tabla 4 Composición química del depósito sin dilución obtenido con una corriente de 145 A.

En la figura 10 se reportan los valores de microdureza obtenidos para diferentes corrientes de soldadura y diferentes niveles del depósito. Son reportados además los valores medios para cada nivel de medición.

De la observación de la figura 10 se evidencia que para una misma probeta (para una misma corriente) y como era de esperar la dureza varía significativamente entre el metal base y el depósito (a partir del 8 ó 10 nivel de medición), sin que se perciban diferencias significativas dentro de este último. Ello deja claro que el efecto de la dilución no afecta significativamente las propiedades del depósito, aspecto que no coincide plenamente con lo reportado en la tabla 3 en cuanto al comportamiento de la geometría de los depósitos y que por tanto debe ser esclarecido en el estudio posterior a partir de un análisis riguroso de la microestructura corrientes [8]. De igual modo no se percibe variación en los valores de microdureza para las diferentes probetas (diferentes corrientes), a pesar que en la tabla 3 se reporta la diferencia en los valores de dilución, lo cual también debe ser esclarecido en un estudio posterior más riguroso.

De otro lado, los valores de microdureza en la zona del depósito (figura 10) son similares para todas las probetas (todas las corrientes), a la vez que se percibe que al pasar del metal base a la zona fundida del cordón hay una variación brusca en los valores de microdureza. Tal comportamiento de la microdureza frente a la corriente para las diferentes probetas y en la dirección ascendente del depósito para una misma probeta son indicios de que la dilución, obtenida a partir de la geometría de los depósitos (figura 9), no modifica las propiedades del cordón. Otro aspecto a considerar es que los valores de la microdureza de las zonas blancas (ver tabla 5) de la microestructura son superiores a los correspondientes a la austenita, siendo esto un criterio de que podría existir la presencia de carburos dispersos de Cr, Mo y V dentro de estas zonas, que tal vez serían detectados con una técnica de caracterización más avanzada (Microscopía Electrónica de Barrido) [9].

Figura 10. Perfil de microdureza en función de la corriente de soldadura, determinado en forma ascendente desde el metal base hasta la parte superior del depósito.

Finalmente, se advierte cierta diferencia entre las microestructuras de los depósitos con diferentes corrientes (tabla 5) que si bien expresan que el proceso (la corriente de soldadura) influye, no modifican significativamente las propiedades (figura 10). No obstante, y como se advierte en la figura 11, hay una tendencia a aumentar la dureza con la corriente.

Tabla 5. Microestructura de los depósitos para diferentes corrientes de soldadura.

Figura 11 Dureza media de los depósitos en función de la corriente de soldadura.

Conclusiones

• 1- La eficiencia del depósito (rendimiento real) muestra un comportamiento decreciente con la corriente, siendo el mejor resultado (74 %) para una corriente de soldadura de 120 A. La tasa de fusión muestra un comportamiento contrario con su menor valor de 19,47 g/min, también para la corriente de 120 A, a la vez que la tasa de deposición disminuye con el aumento de la corriente, siendo el mayor valor de 52,25 g/min.

• 2- La penetración aumenta con la corriente, siendo su menor valor para 120 A de 1.46 mm, a la vez que el ancho y el refuerzo disminuyen con la corriente, siendo sus mayores valores de 9.77 mm y 3.57 mm, respectivamente para 120 A. La dilución aumenta con la corriente, al aumentar el área de penetración y disminuir la de refuerzo, siendo su menor valor para 120 A de 18,96 %.

• 3- Del análisis metalográfico se percibe que no hay efecto en la microdureza de las zonas blancas en función de la corriente de soldadura, a la vez que aumenta la dureza media de los depósitos (481 Hv, 618 Hv y 625 Hv, para 120 A, 145 A y 160 A, respectivamente).

• 4- De los resultados de parámetros de consumo (mayor rendimiento para 120 A) y geometría de los cordones (menor dilución para 120 A); así como el aumento de la dureza media se concluye que debe hacerse una valoración más integral para definir las mejores condiciones de régimen para la aplicación de recargue con el electrodo que incluya una evaluación de la durabilidad de componentes específicos (evaluación de resistencia al desgaste y/o evaluación en servicio de componentes recubiertos).

Bibliografía

• 1. Díaz Cedré, Eduardo. Curso de recuperación de Piezas. Material de apoyo a la docencia. Editorial Feijóo. UCLV. 1999. 342p

• 2. UTP Industria Mexicana S.A. de C.V, "Manual del Soldador". Monterrey 2005

• 3. Internacional Organization Standard, "ISO 2401, Covered electrodes- Determination of efficiency, metal recovery and deposition coefficient", ISO , 2002.

• 4. American Welding Society, "AWS A5.13-2002 Specification for Surfacing Electrodes for Shielded Metal Arc Welding" , 2002.

• 5. Burgos Solas, José L. "Teoría de los procesos de soldadura". Material de apoyo al curso de la maestría en Ingeniería Mecánica. UCLV. 2000. Santa Clara. Cuba

• 6. CRUZ, A., Obtención de un fundente aglomerado aleado y un electrodo tubular revestido con el empleo de FeCrMn y escoria de la reducción carbotérmica de minerales, Congreso da Sociedade Brasileira de Soldagem, Belo Horizonte, Oct. 2006.

• 7. Relación microestructura resistencia al desgaste de recubrimientos duros ricos en cromo y tungsteno aplicados por soldadura eléctrica (SMAW) Dyna. Noviembre Año:Vol 71, Número 144, Universidad Nacional de Colombia. Medellín, Colombia. pp. 165-171. Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal. ISSN 0012-7353. 2004

• 8. BÁLSAMO, P.S.S.; SCOTTI, A. & MELLO, J.D.B., Interpretación de la Microestructura de Recargues Duros Depositados por Soldadura Utilizando la Superficie de Líquidos de Diagramas Fe-Cr-C. Rev. Soldadura, 25 (4), 1995, CENIN, Madrid, pp. 199-207 (ISSN 0048-7759).

• 9. Kuhn, Howard; Medlin, Dana. ASM Handbook. V. 8. Mechanical testing and evaluation. ASM International. ISBN 0-87170-389-0. ASM International. OH. EUA. 2001. 2235p

Autor:

Amado Cruz-Crespo1,

Eduardo Díaz Cedré1,

Tamara Ortiz Mendez2,

Enrique Velásquez Pérez1

1Centro de Investigaciones de Soldadura, Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas, Facultad de Ingeniería Mecánica, Carretera a Camajuaní KM 5½, Santa Clara, Villa Clara, Cuba, Tel. (53) 42 281586

1Fábrica de Antenas< Villa Clara. Ministerio de las Comunicaciones.