Propiedades operativas en un electrodo de soldadura
Por propiedades operativas de los electrodos durante el proceso de soldadura se entiende la capacidad de éstos de permitir el encendido, de mantener la estabilidad del arco, de garantizar una forma adecuada del cordón y de formar en la superficie del mismo una capa fácil de desprender.
Si bien de una parte, la mayoría de los fabricantes sustentan la calidad de la producción de electrodos en los parámetros de consumo [5, 16], y evidentemente en las propiedades del metal depositado que es en definitiva lo que muestran en sus catálogos; de otro lado, muchas investigaciones, sin perder de vista estos aspectos, centran su interés en mejorar estas características abordándolas desde una perspectiva fenomenológica (Transferencia Metálica y de Carga, Microestructura del Metal depositado y la Zona Afectada por el Calor, Transferencia de elementos de Aleación, Fenómenos de Dilución y Propiedades de las Escorias) [1, 4, 9, 10, 17].
1.2.1 Parámetros de consumo
Durante la práctica industrial de la soldadura se hace necesario normar los tiempos de ejecución de la misma, determinar parámetros del régimen de soldeo, establecer el consumo de materiales de aporte o determinar sus costos. Las características económicas de los electrodos son evaluadas a través de los parámetros de consumos siguiendo para ello las instrucciones de la norma elaborada con este fin [18].
Si bien se brinda especial importancia en esta norma a las tasas de fusión y de deposición como principales parámetros, no se contemplan los consumos efectivos de potencia eléctrica, ni la facilidad de encendido y reencendido del arco, la facilidad de desprendimiento de la escoria, aspectos que modifican la operatividad del electrodo influenciando los costos de las producciones. Por otra parte, el reencendido y mantenimiento del arco, lo cual tiene estrecha relación con la estabilidad en la transferencia de masa y carga a través del arco y la morfología del cordón.
Desprendimiento de la escoria
Desde el punto de vista de la adherencia mecánica de la escoria se separan más fácil, aquellas escorias con poca resistencia, con mayor coeficiente de dilatación lineal y de alta temperatura de reblandecimiento, siendo determinada fundamentalmente por su resistencia mecánica y no por la fuerza de adherencia de ésta con el metal.
Se plantea por [19] que la mayor adherencia tiene lugar cuando se forma una capa de óxidos mixtos, de 1,5 a proximadamente, entre el metal y la escoria. Los óxidos divalentes de varios metales de transición (fundamentalmente de la primera serie) que se forman por la oxidación en la interfase (metal- escoria) se diluyen en la superficie de la escoria y según su viscosidad se transportan lentamente hacia el interior de ésta, por lo que no da tiempo a que su concentración en la superficie sea alta.
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 fina 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-O ?por eso la película de óxido se agarra fácilmente sobre la superficie del metal. La presencia en la superficie de la interfase de la escoria de compuestos cristalizados en el sistema cúbico, como el FeO, lleva en su momento a acabar la construcción con estos compuestos de retícula de óxido de hierro lo que significa un agarre suficientemente resistente de la escoria con el metal. Según el sistema cúbico cristalizan compuestos del tipo espinela, que representan en sí óxidos complejos de dos y tres valencias en metales; Al, Mg, Fe y otros.
Cuando las escorias presentan menor densidad éstas se liberan más fácilmente del metal flotando sobre su superficie, lo que posibilita la obtención de cordones de soldadura libres de inclusiones exógenas.
1.2.3 Estabilidad del arco
Uno de los problemas en la valoración de la operatividad eléctrica de los electrodos revestidos, proviene del hecho de que la intensidad de corriente dependa de la longitud del arco, entre otros factores. Cuando se establece un arco con un electrodo revestido determinado, es necesario alimentarlo a medida que se consume, tratando de mantener constante a la longitud del arco. Al iniciarse el arco de soldadura, el consumo del electrodo hace que la corredera [20] baje gravitacionalmente, mientras la punta del electrodo se consume por el intenso calor del arco.
La estabilidad del arco depende, entre otros factores, del estado de ionización de los gases comprendidos entre el ánodo y el cátodo. Por este motivo se puede influir sobre la estabilidad de encendido del arco mediante la introducción en el metal de elementos con bajo potencial de ionización, lo cual casi siempre se logra a través de la composición del revestimiento, como bien lo plantea [21]. Como complemento a esto [22] señala que los iones de los elementos referidos, en su movimiento hacia el cátodo bombardean la mancha catódica, formando segmentos, en los cuales decrece bruscamente el potencial de salida y ocurre la mayor emisión de electrones.
Como ha demostrado [19] la apariencia externa del cordón en gran medida depende de la uniformidad de deposición del metal, relacionado con las condiciones de cristalización del baño. Para una gran movilidad del baño, por ejemplo, como resultado de la combustión del carbono o el desprendimiento de los gases disueltos, el aspecto externo del cordón empeora significativamente.
La presencia de fluoruros o haluros en el revestimiento desempeña un papel negativo, como señala [23], lo cual está condicionado por el arribo a la atmósfera del arco del anión F- o X-, junto al catión Ca2+. Por esto la concentración del fluoruro de calcio en valores excesivos, según [19], hace decrecer significativamente la longitud del arco (la estabilidad).
1.2.3.1 Transferencia Metálica
La transferencia metálica del material de soldadura del electrodo a la pieza en soldadura puede ser definida de manera general de dos modos: por cortocircuito (short circuit) y vuelo libre( transferencia globular y de transferencia pulverizada (spray)) como refiere [24].
Para evaluar la transferencia metálica por cortocircuito se tiene en cuenta la frecuencia de cortocircuitos y el tiempo de cortocircuitos. Como refieren [9, 10] la frecuencias de Cortos con transferencia metálica (Fm), es definida como el inverso del tiempo entre cortos superiores a 2 ms y el tiempo medio de duración de los cortos con transferencia de metal (Tm).
La transferencia de las gotas es gobernada por 2 fuerzas en direcciones opuestas: la fuerza de gravedad en el sentido del desprendimiento y la fuerza de tensión superficial que se opone hasta que la gota haga contacto con el metal del baño (Ver figura 2 del lado izquierdo), aumentando el diámetro crítico de la gota [25]. Sin embargo cuando la fuerza de tensión superficial es en el mismo sentido del desprendimiento de la gota disminuye el diámetro crítico provocando un encuellamiento de la gota favoreciendo la transferencia metálica y reduciendo el nivel de pérdidas por salpicadura (Ver figura 2 del lado derecho).
Figura 2. Direcciones de la acción de fuerzas principales durante la separación de la gota en arco [25].
Podemos agregar que en polaridad inversa los iones voluminosos de Flúor (F-) que descienden hacia la punta del electrodo realizan un efecto de apantallamiento al paso de los electrones y reducen el efecto de calentamiento excesivo de la gota y su pérdida de elementos. A su vez que, como reporta [24] en este tipo de polaridad las gotas son mayores en electrodos básicos, lo cual favorece la disminución de pérdidas .
Propiedades de las uniones soldadas
1.3.1 Dimensiones de los cordones
La profundidad de penetración es el parámetro geométrico principal de una unión soldada, ya que de ésta depende su homogeneidad y continuidad. Sobre el mismo van a influir todos los elementos que constituyan aportes térmicos al baño fundido[26]. Con respecto al ancho del cordón, el mismo constituye un parámetro que indica el ancho del baño fundido, lo cual es un indicador de la capacidad del metal en estado líquido para fundir los bordes a unir.
El aumento de la intensidad de corriente, provoca un incremento de la profundidad de penetración lo que se puede explicar por algunos autores [27, 28]. por el aumento de la energía en la caída catódica (siendo CC+). El aumento del contenido de oxígeno trae consigo un aumento del tiempo de permanencia del baño a alta temperatura y en consecuencia al aumento de la penetración y el ancho del cordón como refiere [29].
Sobre la forma de la sección transversal del cordón ejercen gran influencia las propiedades estabilizadoras del revestimiento, la densidad de la escoria que se forma y las propiedades de las escorias fundidas. Según datos de [30] variando la longitud del arco y la profundidad de su penetración en el metal base se puede variar el coeficiente de forma del cordón Esto se logra variando las propiedades estabilizadoras del revestimiento, de tal modo que un revestimiento con bajas propiedades estabilizadoras lleva a la disminución de la longitud del arco y la obtención de un cordón estrecho (b), con gran profundidad de penetración (hp). Para altas propiedades estabilizadoras de las escorias fundidas hay un alargamiento del arco y en consecuencia la obtención de un alto coeficiente de forma del cordón.
La influencia de la tensión del arco sobre la forma geométrica de la costura depende de forma proporcional de la longitud del arco y además de la composición de los gases que están en la zona del arco. El incremento de la tensión del arco hace que aumente la movilidad del mismo, como resultado de esto crece considerablemente el ancho de la costura, permaneciendo casi constante la profundidad de fusión dentro de los límites normales que tienen lugar en la práctica. Al incrementar el espesor del metal a soldar, aumenta la intensidad de la corriente y esto debe ir acompañado del aumento de la tensión del arco.
Estructura de la unión soldada
La unión soldada se divide en dos regiones: el metal de soldadura (MS) y la zona afectada por el calor (ZAC) en el material base (MB), tal como se esquematiza en la figura 3.
Figura 3. Zonas de la unión soldada
La Zona fundida es la región que alcanza la fusión completa. Desde el punto de vista metalúrgico en la misma ocurre un proceso de solidificación de relativa complejidad con la presencia de una microestructura primaria de granos columnares cuya morfología depende del modo de solidificación. A partir de la estructura primaria y como consecuencia de las subsiguientes transformaciones de estado sólido aparece una microestructura secundaria que confiere buena parte de las propiedades mecánicas del metal de soldadura y consecuentemente de la unión soldada. Por su parte esta zona es resultado de un proceso de dilución entre el material o metal de aporte y el metal base [31].
La ferrita acicular es la fase mas comúnmente encontrada como producto de la descomposición de la austenita en la soldadura de aceros al C-Mn y de baja aleación. Es de considerable importancia tecnológica, ya que provee una microestructura relativamente tenaz y resistente. Se forma en un intervalo de temperaturas donde las transformaciones reconstructivas se vuelven relativamente lentas, y dan lugar a las transformaciones del tipo cooperativas como la ferrita Widmanstatten, la bainita o la martensita. La ferrita acicular y la bainita se forman en el mismo rango de temperaturas y mediante el mismo mecanismo de transformación. La principal diferencia entre ambas fases reside en que la nucleación de ferrita acicular se inicia en las inclusiones presentes en el acero, mientras que la nucleación de bainita ocurre en los límites de grano de la austenita. La bainita presenta una morfología de paquetes compuestos por placas paralelas con desorientaciones cristalográficas bajas, mientras que la morfología de la ferrita acicular es por lo general más caótica con placas orientadas en diferentes direcciones [32].
En esta zona, su formación es favorecida por la presencia de precipitados y, particularmente, de numerosas inclusiones resultantes de la presencia de oxígeno, en general, en cantidades superiores a los del metal base [33]. Este fenómeno, se puede observar en la micrografía que se muestra en la figura 4, presentada con dos resoluciones diferentes.
Figura 4. Microestructura del cordón donde aparece la formación de la ferrita acicular a partir de las inclusiones.
En la figura 5, se muestra de forma esquemática la formación de las diferentes fases, en el cordón de soldadura durante el enfriamiento, en el intervalo de temperatura desde 800-500 ºC según el efecto que pueden tener los diferentes factores en la formación de la ferrita acicular [34, 35] Como se puede apreciar un aumento del tamaño de grano austenítico conjuntamente con un contenido significativo de elementos de aleación favorece a la transformación perlítica, sin embargo existe una relación entre elementos de aleación, tiempo de enfriamiento, contenido de oxígeno y tamaño de grano donde se logra la formación de un volumen considerable de ferrita acicular.
Figura 5. Representación esquemática del efecto de los diferentes factores en la formación de la ferrita acicular.
Conclusiones
1) La calidad de la producción de electrodos en los parámetros de consumo y evidentemente en las propiedades del metal depositado centran su interés en mejorar estas características, abordándolas desde una perspectiva fenomenológica (Transferencia Metálica y Transferencia de elementos de Aleación).
2) Los procesos metalúrgicos que tienen lugar en el baño de soldadura, sin aislar los contenidos de los elementos aleantes, influyen decisivamente en la transferencia de los elementos al metal del cordón y consecuentemente en las propiedades operativas como la geometría de los cordones y la productividad.
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Autor:
Kenia Sota Sol*
Yanelis Ríos Vizcaíno**
Amado Cruz Crespo***
Pedro Antonio Rodríguez Peña****
* Empresa del Transporte, Villa Clara
** Unidad Básica empresarial "Enrique Villegas"
***Universidad Central "Marta Abreu" de Las Villas.
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