M. C. Payares y M. Dorta-Almenara*
Departamento de Mecánica, Universidad Simón Bolívar. Caracas. Venezuela *midorta@usb.ve
Resumen
El estudio de las propiedades mecánicas en las soldaduras de los aceros inoxidables dúplex, bajo la influencia de las variables intensidad de corriente, voltaje y velocidad de soldadura, ha tomado gran importancia a raíz de la creciente aplicabilidad de los mismos en diferentes industrias, en especial en la petroquímica. El objetivo principal de este trabajo es determinar la resistencia al impacto de la junta bajo diferentes variables de soldadura y en condiciones similares a las que se presentan en complejos criogénicos. Los ensayos fueron diseñados utilizando el proceso de soldadura a tope por arco eléctrico GMAW, con una fuente de poder constante y usando corriente directa y polaridad reversa. Se utilizó una placa de acero inoxidable dúplex SAF 2205 como material base, como material de aporte un alambre de electrodo E-ER 2209 de acuerdo a las normas AWS5.4-92 y 5.9-93 y Argón comercial puro como gas de protección. Los ensayos de impacto de las uniones soldadas no mostraron variaciones significativas en la energía absorbida, que evidencien un cambio en el tipo de fractura del material en función de los parámetros de soldadura, para temperaturas de ensayo de – 40 °C y 22 °C. Para este acero y con las variables de soldadura seleccionadas, se pudo observar que no ocurre transición dúctil–frágil y la disminución de la tenacidad es poco significativa.
Palabras Clave: GMAW, Dúplex, 2205, Resistencia, Impacto.
Abstract
The study of the mechanical properties in butt joints for duplex stainless steels SAF 2205 under the influence of variables such as arc current, arc voltage and welding speed is important for determining the optimise conditions for an efficient joint, since the applicability of this material in different industries especially the petrochemical. In this paper an attempt is made to determine the impact strength of the butt joints not only under different welding variables but also at complex cryogenic conditions. Test were designed and performed using Gas Metal Arc Welding process (GMAW) with a constant power source using a direct current reverse polarity. A duplex stainless steel was used as the base metal and ER-2209 electrode wire as filler metal as recommended by AWS 4.92 and 5.9-93. After testing, the DSS weldments no ductile to fragile transition were observed in the temperature range used (-40 ° C to 22 ° C) and the energy values remained almost constant between both temperatures. Also the results did not show a significant variations in the toughness of values the welding process of DSS SAF 2205 under the range of the parameters used.
Key words: GMAW, Duplex, 2205, Impact, strength
Introducción
]]> Dentro de las distintas gamas de los aceros inoxidables encontramos los Dúplex, los cuales están microestructuralmente conformados por una combinación ferrita - austenita, cuya aplicabilidad ha venido creciendo vertiginosamente en los últimos años en las diferentes industrias. Las aleaciones Dúplex también pueden ser definidas como un acero que presenta una estructura de dos fases con cantidades significativas. En otras palabras el término acero inoxidable Dúplex representará la aleación Fe-Cr-Ni formado con un 30 a un 70% ferrítico, para la investigación en específico, el indicativo 2205 resulta de la composición de 22% Cromo y 5% Níquel. El interés técnico en estas aleaciones por encima de la serie 300 de aceros inoxidables austeníticos, es debido a su gran resistencia a la corrosión bajo tensión y por picaduras, además que el esfuerzo de fluencia es dos veces mayor que el de las aleaciones anteriormente mencionadas. Estas aleaciones Dúplex combinan algunas de las ventajas de los aceros ferríticos y austeníticos, pero también presentan algunas de las desventajas, de cada uno de ellos. Respecto a este material han surgido serios problemas al ser utilizado en procesos de soldadura, debido al intenso calentamiento y rápidos ciclos de enfriamientos inherentes al proceso; afectando las propiedades mecánicas de la junta a tal punto de fallar en la zona afectada por el calor (ZAC). Hasta ahora se han realizado investigaciones sobre la influencia de los parámetros de soldadura sobre la penetración, sin embargo estos parámetros de soldadura tales como el voltaje de arco, la intensidad de corriente y la velocidad de soldadura son variables primarias u operacionales que pueden cambiar la geometría, las propiedades mecánicas, localización de la zona de falla y la microestructura de las soldaduras del acero inoxidable dúplex SAF 2205. Por ello se hace necesario establecer como influyen sobre las propiedades mecánicas y la microestructura del metal soldado, es decir, en la calidad de la soldadura, para así establecer y fijar los parámetros adecuados y óptimos de la misma.Existen un sin número de investigaciones realizadas en aceros inoxidables dúplex principalmente en las áreas de corrosión, microestructura y propiedades mecánicas en sí, tales como las de Yasuda et.al. (1986), Gunn (1999), Jun (1999). Sridhar et. al. (1984) siendo un tanto más específico en cuanto a las soldaduras investiga el efecto de los parámetros sobre la corrosión localizada.
Barnhouse y Lippold (1994) evalúan el efecto de la microestructura del metal soldado sobre la dureza y la resistencia a la corrosión por picaduras de soldaduras disímiles entre un acero dúplex 2205 y uno estructural A36. Karisson (2001) relaciona las precipitaciones de fases intermetálicas durante las soldaduras de aceros inoxidables dúplex durante las soldaduras con las propiedades mecánicas.
McPherson. et. al. (2000) estudiaron una diversidad de uniones soldadas de acero dúplex 2205 empleando electrodos grado 2209 para procesos de soldadura empleados en construcción naval, encontrando que el control de la temperatura entre los pases aumenta el contenido de ferrita en la zona de fusión y en la zona afectada por el calor, sin embargo no afecta significativamente las propiedades mecánicas.
El enfoque de esta investigación es establecer el efecto en las propiedades mecánicas de las soldaduras de acero inoxidable dúplex SAF 2205 con la variación en los parámetros de soldadura, el cual será estudiado y analizado específicamente en términos de los cambios producidos sobre la tenacidad o resistencia al impacto del metal soldado.
Procedimiento Experimental
El diseño de los ensayos se efectuó de manera tal de poder garantizar la correcta representación y evaluación de la influencia de los parámetros o variables de soldadura sobre la tenacidad de las probetas soldadas a tope de acero inoxidable SAF 2205, es decir, la capacidad que muestran las soldaduras de resistir cierto impacto sin fracturarse. Para la realización de los cordones de soldadura se utilizó un equipo para soldaduras automáticas de hilo continuo GMAW, marca Cebora, modelo ISO MIG 4001 Synergic, y con el acople de un carro de arrastre de electrodo de 4 rodillos, mostrado en la figura 1, utilizando corriente continua polaridad reversa (DCRP) y Argón como gas protector.
Figura 01 Equipo MIG ISO 4001 con carrete (TR4) de electrodo marca Cebora.
]]> Como material base se utilizó acero inoxidable dúplex SAF 2205, marca Sandvick de 210x125x6.35. El material de aporte seleccionado fue un alambre - electrodo GMAW E-ER 2209, marca Sandvik, tipo 22.8.3.L de 1 mm. de diámetro recomendado por la AWS 5.4-92 y cuya composición química, así como la del metal base, se muestra en la tabla 1.Tabla 01 Composición química del acero inoxidable dúplex 2205 y del electrodo ER 2209.
Para la selección de los parámetros de soldadura a ser utilizados en la investigación se realizaron combinaciones de intensidad, voltaje y velocidad de soldadura de manera tal que, tanto el calor de aporte como cada una de las variables, permanecieran en el rango recomendado por el fabricante Sandvick en su catálogo. En la tabla 2 se detallan los parámetros empleados.
Tabla 02 Parámetros de soldadura experimentales
Los cordones fueron soldados a lo ancho de las pletinas y en la zona central de las mismas. Una vez realizados los cordones para cada condición establecida se procedió a seccionar las pletinas y así obtener el material necesario para fabricar el número de probetas correspondientes a los ensayos de impacto y ensayos de tracción. Se mecanizó en una fresadora una entalla a 45° sobre la dirección y área donde se encontraba el cordón. Para fabricar las probetas de impacto se buscó seguir la norma ASTM para pruebas de tenacidad de fractura, en específico para el método Charpy con entalle en V, lo cual no fue posible ya que ninguna de las variantes de la norma concordó con la disposición del cordón y geometría de las láminas soldadas, por lo que se decidió establecer ciertas dimensiones que se aproximaran lo más posible a las normalizadas , ver figura 2, de las que se puede obtener un análisis comparativo de la resistencia. Se empleó el péndulo de impacto, marca Otto con apreciación de 0.1 kPm (13.825 J) y energía de péndulo de 15 kPm (2073.8 J). Con la finalidad de determinar la existencia de transición dúctil–frágil entre dos temperaturas establecidas se realizaron las pruebas a 22 y –40 ºC.
]]>
Figura 02 Probeta Charpy ensayada.
Resultados.
La tenacidad es una medida de la cantidad de energía que un material puede absorber antes de fracturarse y se convierte en un dato realmente importante para la ingeniería cuando es considerada como la capacidad de un material para resistirse al impacto sin ser fracturado. Los resultados de esta investigación se basan en la tenacidad de la soldadura de un acero SAF 2205 ensayado por impacto.
Los resultados obtenidos de los ensayos de impacto tipo charpy para probetas con entalle en V de acero dúplex SAF 2205, a 22 °C y – 40°C, son mostrados a continuación en la tabla 3.
Al realizar el análisis de los resultados de los ensayos de impacto, el factor que se aprecia de forma inmediata y a simple vista es el hecho que no se produce para ninguno de los ensayos un cambio en el tipo de fractura de material, evidenciado a su vez por la inspección visual de las superficies fracturadas, las cuales son características de una fractura de tipo dúctil, tal como el metal base. La apariencia del espécimen fracturado se puede correlacionar con la energía absorbida, siendo característica de fracturas dúctiles y tenaces las superficies suaves y finas con evidencia de deformación plástica, tal como lo mostraron las probetas ensayadas. En estudios posteriores se analizarán en detalle las características de la fractura de las superficies ensayadas por impacto.
Resistencia al impacto de las probetas soldadas vs resistencia al impacto del metal base.
Al analizar los valores de energía absorbida durante el impacto de las probetas soldadas ensayadas, a 22 ° C de la tabla 3, se puede notar que la influencia del proceso de soldadura sobre el material base no produce una fragilización significativa del material bajo ninguna de las veinte combinaciones de parámetros sometidas al ensayo, aunque si genera caídas en los valores de energía para las pruebas a ambas temperaturas. La mayor variación mostrada en cuanto a la disminución de la tenacidad al impacto lo muestra la probeta A, siendo esta de un 22 % con respecto al promedio del metal base.
Tabla 03 Valores de energía absorbida en el ensayo de impacto de probetas de acero SAF 2205 soldado mediante GMAW.
]]>
De igual manera ocurre al comparar los valores del metal base con los de las probetas soldadas ensayados a –40 ° C. A pesar de encontrarse mayores variaciones, hasta de un 49% para la probeta O, la energía no cae a valores lo suficientemente pequeños para indicar un cambio dúctil – frágil generado por la soldadura en el acero inoxidable dúplex. Sin embargo, es bien sabido que el sobrecalentamiento en los aceros menoscaba su tenacidad tal como se observa en los resultados de la tabla 3.
Temperatura de transición Dúctil - Frágil.
Al realizar los ensayos para el material base, se observa que no existe una transición en el modo de fractura dentro del rango de temperatura escogido entre 22 ° C y –40 ° C para el acero inoxidable dúplex SAF 2205. Los aceros con bajo contenido de carbono tienen un rango de transición a temperaturas más bajas, y a su vez más estrecho que los aceros con alto contenido de carbono, dado que el acero en estudio tiene un bajo contenido de carbono (0.02 %), podemos suponer que la temperatura de transición se encuentra en valores mucho menores que los empleados.
Al analizar y comparar los valores de energía de impacto de las probetas soldadas bajo iguales condiciones y ensayadas a 22 ° C y –40 ° C, se nota como este acero tiende a perder tenacidad a menor temperatura, hasta un 43% menos para la probeta F. No obstante, la disminución de energía absorbida mostrada por las probetas a –40 ° C no es lo suficientemente representativa para manifestar una transición en el modo de fractura del material.
Dentro del análisis de los ensayos de impacto se intentó relacionar los parámetros de soldadura con los valores de energía registrados. Con este fin se graficó cada uno de ellos frente a los resultados del ensayo, en busca de alguna posible tendencia, lo cual no arrojó ningún resultado significativo o del cual se pudiera realizar algún tipo de conclusión. Igualmente se realizó un análisis utilizando un programa estadístico, intentando detectar alguna relación entre los valores de los parámetros de soldadura y los de energía. Si bien los resultados de las curvas potenciales arrojaron cierta tendencia, presentaron un nivel de error muy alto. Lo expuesto anteriormente nos lleva a concluir que el análisis de los resultados de los ensayos de impacto no muestran ninguna relación que se pueda considerar entre los parámetros de soldadura y los valores y variaciones de la energía.
Conclusiones.
• El acero inoxidable Dúplex SAF 2205 en estado de entrega no presentó transición de dúctil a frágil en el rango de temperatura seleccionado, entre 22 °C y –40 °C, manteniéndose los valores de energía casi invariables entre ambas temperaturas, lo cual es característico de aceros de muy bajo contenido de carbono.
• El proceso de soldadura en el acero inoxidable Dúplex SAF 2205 bajo el rango de parámetros estudiados, origina variaciones en los valores de tenacidad con respecto al material original, que no se consideran significativos en cuanto a la transición de fractura dúctil a frágil en ninguna de las dos temperaturas estudiadas (22°C y -40°C). A su vez, el acero inoxidable Dúplex SAF 2205 soldado bajo el rango de parámetros estudiados origina variaciones entre los valores de tenacidad a temperatura ambiente (22°C) y los valores de tenacidad a –40°C, los cuales no se consideran significativos para la determinación de una fragilización.
• Los parámetros de soldadura utilizados en la investigación, así como el calor aportado durante el proceso, no generan una influencia definida sobre los valores de tenacidad del acero inoxidable Dúplex SAF 2205.
]]> Referencias Bibliográficas1. ASM Specialty Handbook, “Stainless Steels”, 1994, ASM International, USA, Pp 32-34, 341-390, 483-485, 842-905. [ Links ]
2. Barnhouse E. J. and Lippold J. C. “Microstructure /Property Relationships in Dissimilar Welds Between Duplex Stainless Steels and Carbon Steels”. 1994. E. J. Barnhouse is with Weirton Steel Corp., Weirton, W. Va. J. C. LIPPOLD is with The Ohio State University, Columbus, Ohio [ Links ]
3. Coates, Gary.“Casti Book of de Stainless Steels and Nickel alloys” 2000, Stephen Lamb Technical editor, fourth printing, Canada. [ Links ]
4. Gunn R, “ Duplex stainless steels microstructure, properties and applications”, 1999, Abington Publishing, England, Pp 1-3, 110-112, 138, 196. [ Links ]
5. Jun, Robert N. (1999). Duplex Stainless Steels. Cambridge, Inglaterra: Woodhead Publishing LTD. [ Links ]
6. Mc Pherson1, Y. Li2 and T. N. Baker2 “Microstructure and properties of as welded duplex stainless steel” Communications Ltd. Science and Technology of Welding and Joining, 2000, 5 (4) 235-244. 1GovanDepartment of Metallurgical Engineering Research Institute of Steel Processes and Applications Department of Mechanical Engineering BAE Systems, Glasgow, G51 4XP, UK, 2Department of Metallurgical Engineering Research Institute of Steel Processes and Applications Department of Mechanical Engineering Department of Mechanical Engineering University of Strathclyde, Glasgow, G1 1XQ, UK. [ Links ]
7. Rath Manufacturing Co, “Technical data sheet alloy 2205, duplex stainless steel alloy” Diponible en : http://www.rathmfg.com [2001, 19 de Diciembre] [ Links ]
8. Sridhar, N., Flasche, L. H., and Kolts, J. 1984. Effect of welding parameters on localized corrosion of a duplex stainless steel. Materials Performance, pp 52-55. [ Links ]
9. Karisson, Leif. “The International Institute of Welding and the Welding Research Council. Intermetallic phase precipitation in Duplex stainless steels and weld metals: Metallurgy, Influence on properties, welding and testing aspects”. 2000 Mayo. New York. Disponible en: http://www.forengineers.org [2001, 22 de Diciembre]. [ Links ]
10. Yasuda, K., Tamaki, K., Nakano, S., Kobayashi, K., and Nishiyama, N. 1986. Metallurgical characteristics of weld metals and corrosion performance of girth weld joints of duplex stainless steel pipes. Duplex Stainless Steels, ASM International, Materials Park, Ohio, p. 201. [ Links ] ]]>