Development of tubular coated electrodes for underwater wet welding

Alexandre Queiroz Bracarense¹, Lorenzo Perdomo González², Ezequiel Caires Pereira Pessoa³ y Rafael Quintana Puchol²

¹ Laboratório de Robótica, Soldagem e Simulação, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Minas Gerais, Brasil. Bracarense@ufmg.br

² Centro de Investigaciónes de Soldadura (CIS), Universidade Central “Marta Abreu” de Las Villas (UCLV), Cuba. {lperdomo,rquin}@uclv.edu.cu

³ Centro Federal de Educação Tecnológica de Ouro Preto, UNED-Congonhas, Brasil. ezequielcaires@yahoo.com.br 

Abstract 

The structural configuration of the tubular coated electrodes offers an attractive field of metallurgical and technological investigation on the underwater wet welding. For this reason, in this work the developed experiments with tubular coated electrodes using as base the covering of the rutile electrode (6013) are presented. Three different powder mixtures were formulated and filled the tubular wires cavities. Finally two electrodes were selected and the waterproof varnish with pirometallugical mixtures was modified. The deposits were made in an aquarium with a water layer of 1 m. The obtained results revealed that the mixture formed by manganese oxide and aluminum as inside the electrode as in the waterproof varnish offered the best results in the technological and metallurgical behaviors of the underwater wet welding, showing that the tubular coated electrodes constitute a viable alternative for the development of consumable for the wet welding process. 

Key words:  Underwater wet welding, tubular coated electrode. 

Desarrollo de electrodos tubulares revestidos para la soldadura subacuática mojada 

Resumen

La configuración estructural de los electrodos tubulares revestidos brinda un atractivo campo de investigación metalúrgica y tecnológica en la soldadura subacuatica mojada. Por esta razón, en este trabajo se presentan los experimentos desarrollados con electrodos tubulares revestidos usando como base el revestimiento rutílico (6013). Se formularon tres diferentes mezclas de polvos, con las cuales se llenaron las cavidades de los alambres tubulares. Finalmente se seleccionaron dos electrodos a los cuales se les aplicó el barniz impermeabilizante modificado con mezclas pirometalúrgicas. Los depósitos se realizaron en un acuario con una capa de agua de 1 m. Los resultados obtenidos revelaron que la mezcla pirometalúrgica formada por óxido de manganeso y aluminio tanto en el interior del electrodo como en el barniz impermeabilizante brindó los mejores resultados en el comportamiento tecnológico y metalúrgico de la soldadura subacuatica mojada, mostrando que los electrodos tubulares revestidos constituyen una alternativa viable para el desarrollo de consumibles para el proceso de soldadura mojada. 

Palabras clave:  Soldadura subacuática mojada, electrodo tubular revestido.

Recibido el 22 de Abril de 2008 En forma revisada el 17 de Junio de 2009

1. Introducción 

Un electrodo macizo revestido común para la soldadura manual (SMAW) está constituido por dos partes fundamentales: el núcleo metálico y el revestimiento, como puede ser observado en la Figura 1. El núcleo está formado por una varilla metálica de acero de bajo contenido de carbono (0,10% C como máximo), aunque en casos específicos puede estar constituido por otro tipo de acero. El aporte másico del núcleo en la formación del cordón de soldadura está entre el 80 y 95%, además es el responsable del establecimiento del arco eléctrico.

El revestimiento que cubre a la varilla metálica está constituido por minerales alumosilicáticos, óxidos, sales, compuestos orgánicos, polvo de hierro metálico y de ferroaleaciones, entre otros, donde todos estos constituyentes son aglomerados mediante un aglutinante: silicatos de sodio y/o potasio o por compuestos orgánicos [1, 2]. Entre las funciones del revestimiento se circunscriben fundamentalmente: crear alrededor del baño metálico una atmósfera de gases protectores (CO₂ y otros) de la acción de los gases atmosféricos (aire fundamentalmente 23%-Vol de O₂ y 75%-Vol de N₂), garantizar la estabilidad del arco, establecer las características metalúrgicas de la escoria e influir en las propiedades físico-mecánicas y químicas del cordón de soldadura. La relación másica entre la varilla metálica y el revestimiento define una serie de funciones y objetivos del proceso de soldadura, donde esta relación puede variar en un amplio diapasón de acuerdo al tipo de electrodo. Por lo general, el revestimiento es la parte del electrodo que define el campo de aplicación del electrodo, por lo que su formulación ha sido punto de partida para el desarrollo de consumibles destinados a la soldadura subacuatica mojada. 

Es frecuente encontrar informaciones sobre investigaciones referente a modificaciones de la composición de revestimientos base rutílicos impermeabilizados de electrodos con alambre macizo, comprobando su eficiencia a 10 m de profundidad [3]. Otros autores han añadido manganeso, titanio, boro, así como ferroaleaciones, por ejemplo FeTi a los revestimientos rutílicos valorando la interacción entre los elementos, especialmente entre el Mn y Ti a 100 m de profundidad y sus efectos sobre la microestructura y la porosidad [4]. 

Adiciones de compuestos portadores de oxígeno como la hematita (Fe₂O₃) al revestimiento rutílicos han sido estudiadas a diferentes profundidades, provocando una inversión en las relaciones entre el hidrógeno en la fase gaseosa y el oxígeno en sus contenidos en el baño de soldadura [5]. 

Estudios sobre el comportamiento metalúrgico y tecnológico de los componentes que se añaden a la cavidad tubular de los electrodos tubulares revestidos e impermeabilizados destinados a la soldadura subacuatica mojada son inexistentes. Recientes estudios sobre los efectos metalúrgicos que ocurren por la adición de carburo de calcio y aluminio en polvo en la cavidad tubular de electrodos tubulares revestidos base rutilo se valoraron, explicando las interacciones en condiciones subacuatica mojada [6]. 

El desarrollo de electrodos tubulares revestidos como una alternativa de nuevos consumibles para la soldadura subacuatica mojada puede convertirse en un campo atractivo de investigación y desarrollo, debido a que la cavidad tubular constituye una zona de estudio, donde pueden realizarse múltiples combinaciones de diferentes constituyentes en forma de polvo, dando la posibilidad de incursionar en el campo de la metalurgia subacuatica permitiendo, por tanto, disminuir la interacción del hidrógeno y el oxígeno con el metal de soldadura, además puede dar la posibilidad de aportar adicionalmente calor al electrodo, todo lo cual debe mejorar la calidad del metal depositado y, por consiguiente, las características mecánicas del cordón, en la Figura 2 se observa esquemáticamente la diferencia en cuanto estructura y composición entre un electrodo macizo (Figura 1) y uno tubular revestido.

Los electrodos tubulares revestidos cuentan con una zona de acción metalúrgica y tecnológica de gran interés, la cavidad tubular, factible de modificar su contenido a voluntad, lo que permite la incorporación de nuevos aditivos al proceso sin afectar “sensiblemente” las funciones propias del revestimiento del electrodo.

En la Tabla 1 se hace una comparación en cuanto a la factibilidad de desarrollo de un electrodo macizo y uno tubular para la soldadura subacuatica mojada. En dicha tabla se puede observar que la estructura de electrodos tubulares brinda algunas ventajas adicionales sobre todo en cuanto a la posibilidad de incorporar componentes activos adicionales al electrodo, así como a su naturaleza. 

Es condición indispensable para el desarrollo del proceso de soldadura en condiciones subacuaticas mojadas, la realización de la operación de impermeabilización de los electrodos, lo cual brinda la posibilidad de utilizar esta cubierta como zona receptora de elementos reactivos, capaces de influir sobre el desempeño tecnológico y metalúrgico del consumible. 

El objetivo de este trabajo es realizar una evaluación preliminar de varios prototipos de electrodos tubulares revestidos, evaluando la influencia que sobre el comportamiento tecnológico tiene la incorporación de mezclas de componentes pulverulentos tanto en el interior del tubo metálico como en la primera capa del barniz impermeabilizante. 

2. Materiales y Métodos 

Con el objetivo de valorar el comportamiento metalúrgico y tecnológico del contenido en las cavidades de los electrodos tubulares revestidos e impermeabilizados en la soldadura subacuatica mojada se prepararon, en primera instancia, 3 tipos de electrodos tubulares revestidos empleando un alambre tubular de 4 mm de diámetro externo, 2 mm de diámetro interno y 350 mm de longitud, que fueron revestidos, manteniendo la misma formulación y espesor de los revestimientos utilizados en los electrodos macizos E 6013. La capa de impermeabilizante se aplicó por inmersión empleando un barniz comercial constituido por resina vinílica y solventes aromáticos. 

A partir de una formulación clásica de revestimientos de electrodos macizos del tipo E6013 sin aglomerantes (Tabla 2) y con la granulometría adecuada < 100 µm, se confeccionó una masa cruda del revestimiento conteniendo 17% de silicato de potasio, la que fue aplicada a los alambres tubulares debidamente llenadas sus cavidades con las respectivas formulaciones. Estos electrodos tubulares revestidos fueron sometidos a un proceso de secado y calcinado hasta 350°C durante 2 horas [7]. 

Las formulaciones de las mezclas destinadas al interior de la cavidad del alambre tubular se variaron de la forma siguiente: 1- polvo de hierro, 2- polvo de hierro + dióxido de manganeso + polvo de Al y 3-polvo de hierro + carburo de calcio. 

Los polvos metálicos empleados presentan una granulometría de < 100 µm para el hierro y de <70 µm para el aluminio, ambos tienen una pureza superior a los 99%. De igual manera el dióxido de manganeso y el carburo de calcio (CaC₂) presentan purezas superiores al 97% y la granulometría es de < 100 µm para ambos casos. La similitud en granulometría de los diferentes componentes empleados coadyuva a lograr una buena homogeneidad en la mezcla, pero la diferencia entre las densidades de casi el doble entre algunos componentes es un factor adverso, que se vence por la adición primero de los componentes de menor densidad y después los de mayor en el mezclador. 

En la 1ra variante (polvo de Fe) se incorpora sólo polvo de hierro a la cavidad tubular del electrodo. Aquí el aporte metálico del alambre tubular en su conjunto es superior que la contribución de los componentes del revestimiento en la 1ra variante, pero sin alcanzar la relación correspondiente a electrodos macizos. Esto se debe a que la densidad de empaquetamiento de los polvos en la cavidad tubular alcanzada en la práctica fue alrededor del 60%, a pesar de que el polvo de Fe presenta cierta plasticidad. En el desarrollo de electrodos tubulares se acostumbra a utilizar un parámetro denominado coeficiente de llenado que no es más que la relación entre la masa de polvo adicionado a la cavidad del alambre tubular y la masa del tubo metálico. El valor del coeficiente de llenado de un electrodo tubular depende del diámetro del electrodo, dimensiones de la cinta (espesor), forma geométrica de la sección transversal del mismo, composición y densidad de los componentes de la carga aleante, etc [8].

En la 2da variante (Fe+Al+MnO₂) se evaluó la influencia que ejerce sobre el proceso de soldadura la incorporación del dióxido de manganeso (MnO₂) en el interior del electrodo tubular. La adición del óxido manganeso pretende, por un lado, constituirse como regulador, por etapas, de los niveles oxígeno y alterar el estado de equilibrio oxígeno-hidrógeno en la fase gaseosa, lo que permite reducir la influencia del hidrógeno presente en el baño de soldadura así como en la burbuja de gases alrededor del baño metálico y, por otro lado, restituir las perdidas de Mn ocasionadas por la oxidación en el baño de soldadura. 

En la 3ra variante (Fe+CaC₂) se evaluó la influencia que ejerce sobre el proceso la adición de carburo de calcio, el cual es capaz de reaccionar de manera exotérmica con el oxígeno disminuyendo por tanto su contenido en el baño de soldadura. 

A partir de estos componentes se formularon tres mezclas, denominadas variantes, cuyas formulaciones se recogen en la Tabla 3. Estos electrodos fueron cuidadosamente impermeabilizados, con dos capas, antes del proceso de soldadura utilizando un pincel, manteniendo los más homogénea posible el espesor de la capa y comprobando la cantidad aplicada mediante pesada. 

Cada uno de los prototipos de electrodos tubulares fabricados fue evaluado en condiciones de soldadura subacuática mojada. La evaluación fue realizada en el acuario mostrado en la Figura 3, utilizando un dispositivo de soldadura por gravedad, empleando corriente directa con polariza invertida y una intensidad de 120 A.

Las soldaduras fueros realizadas sobre planchas de acero del tipo API-5L grado B de 250 mm de largo, 100 mm de ancho y 17 mm de espesor. La composición química del acero se muestra en la Tabla 4.

Además reconfeccionaron dos mezclas pirometalúrgicas: mezcla polvo a -aluminio y óxido de manganeso y mezcla de polvos b: polvo de hierro, polvo de aluminio y óxido de manganeso. Cada una de estas mezclas es añadida en una concentración del 8,5% al barniz, formándose dos suspensiones homogéneas por agitación, en las cuales no se produjo ninguna alteración de sus propiedades durante 72 horas. El barniz modificado (suspensión) se aplicó sobre el revestimiento de las variantes elegidas, incorporándose »0,7 g de mezcla reactiva a la primera capa de barniz. Después de secada las película de los barnices modificados se añade con el mismo procedimiento otra capa de barniz puro. Es recomendable aclarar que el tamaño de las partículas de los constituyentes sólidos, la concentración de los mismos en la suspensión, así como la viscosidad de la suspensión resultante son factores importantes a considerar en la efectividad reactiva de la película aplicada. 

Para buscar una referencia de comparación del comportamiento tecnológico de las variantes elegida de los electrodos tubulares se eligió, como patrón de comparación, un electrodo comercial E6013, el cual fue impermeabilizado con el barniz puro, denominado modificación-IV. En la Tabla 5 se exponen las modificaciones aplicadas a los prototipos de electrodos tubulares y las modificaciones realizadas en la primera capa de barniz. 

Con cada una de los electrodos modificados se realizaron los correspondientes ensayos de soldadura, incluyendo en el ensayo al electrodo 6013 usado como patrón.