En la construcción del alambre tubular la preparación de la carga constituye un aspecto muy importante. En este trabajo la carga como ya fue indicado, está constituida por los minerales tales como: sínter de níquel, aluminio en polvo y cascarilla (Fe2O3, Fe3O4, FeO, Fe,) los cuales se mezclaron según la proporción mostrada en la tabla 3 para lograr una adecuada homogeneización. Dicho proceso se realizó en un mezclador durante un tiempo de 60 min.
La envoltura del alambre tubular lo forma una cinta metálica de acero al carbono de 0.5 mm de espesor por 15 mm de ancho que en su interior llevará la carga aleante formada por los componentes antes mencionados, los cuales determinarán las propiedades del metal depositado.
30
Para la obtención de los electrodos se usó como se indicó anteriormente una máquina que se encuentra en el Centro de Investigaciones de Soldadura. El perfil tubular se obtiene con tres pasos de laminación continua y uno de trefilado, este último permite la compactación de la carga y la disminución del diámetro. Para la adición de la carga al alambre se utiliza un dosificador, el cual puede ser regulado en cuanto a la altura y posición respecto al alambre que está siendo conformado, asegurando con esto un coeficiente de llenado variable. En nuestro caso el coeficiente de llenado utilizado es de 0,40 que determina el por ciento de aleación aportada por la carga y la cinta. La tracción de la cinta metálica a través de los distintos pares de rodillos se garantiza por la fuerza motriz proporcionada por un tambor donde se enrolla el alambre tubular luego de haber pasado por el trefíl.
Una vez obtenido el alambre tubular, este fue enderezado empleando la máquina que se muestra en la figura 14.
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Los alambres fueron enderezados y cortados a una longitud de 350 mm, para posteriormente adicionar el revestimiento y realizar los depósitos de soldadura correspondientes. En la figura 15, aparecen los electrodos fabricados (núcleo) para posteriormente realizar el revestimiento de los mismos.
Figura 15. Alambres tubulares fabricados (núcleo) para posteriormente adicionar el revestimiento
El revestimiento seleccionado en el presente trabajo ha sido del tipo rutílico, es decir, el que se emplea en los electrodos del tipo E 6013. Este tipo de revestimiento garantiza una excelente operatividad del consumible, sobre todo, la estabilidad del arco.
Resultados obtenidos en trabajos anteriores [32] han demostrado que es necesario aumentar la temperatura de fusión del revestimiento del tipo rutílico, para utilizarlo en electrodos tubulares con una carga aleante a base de cascarilla y polvo de aluminio. En este caso particular, se aporta una cantidad de calor adicional al proceso, debido a la reacción exotérmica que se produce al reaccionar los óxidos de hierro con el aluminio.
32
Por otro lado, al fabricarse los electrodos con un núcleo tubular, también conduce a que la temperatura se eleve considerablemente, es decir, mucho mayor que en el caso de que se utilicen electrodos convencionales. Este calentamiento del núcleo del consumible, por encima de los valores de temperatura que normalmente se alcanzan para los electrodos del tipo E 6013, puede provocar la fusión prematura del revestimiento.
A partir del análisis anterior se adicionó al revestimiento rutílico un 20 por ciento de calcita, mineral que por sus características refractarias aumenta la temperatura de fusión.
En la tabla 5 aparece la composición del revestimiento utilizado.
Tabla 5. Composición del revestimiento utilizado
Mineral Composición Química % en el revestimiento Rutilo TiO2 49 Feldespato K2O.Al2O3.2SiO2 12 Ferromanganeso FeMn 8 Caolín Al2O3.2SiO2.2H2O 6 CaCO3 CaCO3 20 Fluorita CaF2 5
Para la adición del revestimiento al núcleo se utilizó el método de inmersión, donde, la masa seca (minerales) se mezcló con un 35 por ciento de silicato de sodio.
Una vez revestidos los consumibles se dejaron durante 24 horas al aire y posteriormente se secaron en una mufla a una temperatura aproximada de 150 grados Celsius durante 2 horas.
33
2.4 Realización de depósitos para el estudio de la composición química y metalográfico
Para comprobar el aporte de níquel al cordón y realizar posteriormente un estudio del efecto de dicho elemento a la estructura del metal depositado, se determinó la composición química de un depósito multicapas para evitar la influencia del fenómeno de la dilución. La determinación de la composición química se empleó el método de espectral por emisión.
En la figura 16 se indica la forma como se realizó el depósito para determinar la composición química del metal aportado por el electrodo.
Figura 16. Depósito realizado para determinar la composición química
Para evaluar el comportamiento tecnológico del consumible fabricado, se realizaron los depósitos de soldadura en condiciones atmosféricas sobre placas de acero AISI 1020 con espesores de 10 mm y para la soldadura subacuática mojada, se emplearon placas del mismo acero con un espesor de 5 mm.
El régimen de soldadura utilizado para ambos depósitos, pero en condiciones diferentes es el que aparece en la tabla 6. En los dos casos se empleó corriente directa con polaridad invertida, que es el recomendado de acuerdo a la literatura [32].
Como se puede observar en la tabla 6, el valor de la intensidad de corriente seleccionado en el caso de la soldadura subacuática es mayor, debido a que la eficiencia del proceso es mucho menor, por las pérdidas de calor que provoca el medio.
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Tabla 6. Régimen de soldadura utilizado en la realización de los depósitos
Soldadura Diámetro del electrodo (mm) Intensidad de corriente (A) Voltaje de
arco (V) Tipo de corriente
Condiciones atmosféricas 4 90 – 100 26 – 30 Corriente Directa Polaridad Invertida Condiciones subacuáticas 4 140 32 - 36 Corriente Directa Polaridad Invertida
Para la realización de la soldadura subacuática mojada se utilizó la instalación que se indica en la figura 17.
Figura 17. Vista superior de la instalación para la realización de la soldadura en condiciones subacuáticas
El corte de los depósitos para extraer las muestras para el estudio metalográfico en la soldadura realizada en condiciones subacuáticas, se realizó en la sección transversal a la dirección del depósito, en el centro de cada cordón, utilizando un disco abrasivo con refrigerante.
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La preparación metalográfica de las muestras, se realizó según el procedimiento convencional de preparación. Las muestras fueron atacadas con Nital al 2%, durante un tiempo de 20 segundos, con el objetivo de revelar las microestructuras.
Para el estudio metalográfico se utilizó un microscopio óptico marca, Neophot 32 el cual se muestra en la figura 18.
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CAPÍTULO III
RESULTADOS OBTENIDOS Y SU DISCUCION 3.1 Evaluación del comportamiento tecnológico de los electrodos
Uno de los aspectos a evaluar en el presente trabajo, es el comportamiento de la estabilidad del arco con electrodos tubulares para la soldadura manual, empleando un revestimiento rutílico, el cual es utilizado en los consumibles con núcleo macizo del tipo E 6013 según la norma AWS 5.1., con la adición de un 20 % de calcita. También es importante conocer la presencia de defectos superficiales, la regularidad del cordón y la formación de salpicadura como factores básicos para evaluar la operatividad del consumible.
En el trabajo la evaluación de los aspectos señalados anteriormente se realizó desde el punto de vista cualitativo para el consumible fabricado, tomado el criterio de especialistas en soldadura con una experiencia de más de 30 años en la temática.
Los criterios para evaluar cada propiedad evaluada en el depósito, se indican en la tabla 7.
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Tabla 7. Criterios para la evaluación de cada propiedad
Propiedades
evaluadas Observación Evaluación
La escoria desprende totalmente una vez terminada
la soldadura Excelente La escoria desprende fácilmente con ayuda de una
piqueta Buena
La escoria desprende con dificultad con ayuda de
una piqueta Regular Desprendimiento
de la escoria
Queda escoria atrapada en la superficie del cordón Mala No se aprecia visualmente ningún defecto superficial
y la geometría del cordón es uniforme Excelente No se aprecia visualmente ningún defecto
superficial, la geometría del cordón es uniforme, pero hay salpicaduras
Buena
Se aprecian defectos en el cráter del cordón Regular Apariencia del
cordón
Se aprecian defectos en toda la longitud del cordón Mala Se mantiene estable la intensidad de corriente de
soldadura, buen encendido y reencendido del arco eléctrico
Excelente
Se mantiene estable la intensidad de corriente de soldadura , dificultades para el encendido del arco eléctrico
Buena
Se mantiene estable la intensidad de corriente de soldadura, dificultades para el encendido y
reencendido del arco eléctrico
Regular Estabilidad del
arco
No se mantiene estable la intensidad de corriente de soldadura, dificultades para el encendido y
reencendido del arco eléctrico
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Las pruebas de soldadura realizadas demostraron un arco estable al utilizar una intensidad de corriente en el orden de los 140 A para la soldadura subacuática y de los 90 - 100 A para la soldadura en condiciones atmosféricas, obteniéndose cordones de buena apariencia y uniformidad. La escoria en todos los casos tuvo un buen desprendimiento, sin la presencia de poros y cráteres al final del proceso, estos resultados se representan en la siguiente tabla 8.
Tabla 8. Resultados cualitativos de las propiedades tecnológicas de los electrodos durante la soldadura en condiciones atmosféricas y subacuáticas
Propiedades evaluadas Soldadura en condiciones atmosféricas Soldadura en condiciones subacuática Resultados cualitativos Desprendimiento de la
escoria Buena Excelente
Apariencia del cordón Buena Excelente Estabilidad del arco Excelente Excelente
En la figura 19, se muestran los cordones obtenidos, lo cual corrobora de forma general el buen comportamiento tecnológico de los electrodos fabricados.
Figura 19. Cordones realizados con los electrodos fabricados
Cordones obtenidos con buena apariencia, sin poros y excelente desprendimiento de la escoria
39
Solamente, como aspecto a señalar en el comportamiento tecnológico, la presencia de alguna salpicadura aislada, aunque se considera que no es significativo.
3.2 Resultados del análisis de la composición química de los depósitos
Utilizando la técnica señalada se determinó la composición química del metal depositado por el electrodo tubular fabricado, la cual aparece en la tabla 9.
Tabla 9. Composición química de los depósitos
C Si Mn S Ni
0.04 0.085 0.18 0.022 1.90
Como se puede apreciar en la tabla 9, el metal depositado contiene un1.9 % de níquel, lo que indica que los cálculos realizados para determinar la cantidad de los componentes de la carga aleante, sobre todo el por ciento de sínter de níquel es adecuado, teniendo en cuenta que el análisis se realizó para lograr aproximadamente un 2 por ciento de dicho elemento de aleación en el depósito. Resalta en los resultados la baja cantidad de carbono, resultado que puede estar asociado a las pérdidas por oxidación, y también a que la cinta metálica utilizada en la fabricación de los electrodos, tiene bajos por cientos de dicho elemento, así como, los componentes de la carga.
Este bajo contenido de carbono, para el caso de la soldadura subacuática donde las velocidades de enfriamiento son elevadas puede ser favorable, ya que prácticamente no hay posibilidades de la formación de estructuras de temple como la bainita o martensita.
3.3 Resultados del análisis micro estructural de los depósitos obtenidos
En la figura 20, se puede observar la estructura en el centro del cordón en los depósitos realizados en condiciones subacuáticas, utilizando los electrodos
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fabricados en el presente trabajo y en la figura 21, se muestra la obtenida con electrodos del tipo rutilo (E 6013), cuya soldadura se realizó también en las mismas condiciones [33]. Al comparar ambas estructuras se aprecia una diferencia significativa.
Figura 20. Microestructuras observadas en el centro del cordón realizado en condiciones subacuáticas con el electrodo tubular correspondiente al presente
trabajo (X400)
FA – Ferrita acicular
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Figura 21. Microestructuras observadas en el centro del cordón realizado con el electrodo del tipo E 6013 en condiciones subacuáticas (X400)
Los depósitos realizados, con los electrodos tubulares fabricados en el presente trabajo, presentan una estructura donde se aprecia la ferrita primaria o de contorno de grano pero en menor cantidad que en el caso de los depósitos realizados con los electrodos del tipo E 6013 en condiciones atmosféricas.
Como aspecto significativo, para el caso de la estructura observada en el depósito realizado con el electrodo tubular, es la presencia de la ferrita del tipo acicular, cuya formación está asociada fundamentalmente a la composición del cordón y a la presencia de inclusiones no metálicas como se ha estudiado en la
FP
Ferrita primariaFW
Ferrita de Widmanstätten (a) (b) (c) (d) (e)FP
FW
FP
FW
FP
FW
FP
FW
FP
FW
42
literatura [29, 30]. Respecto a este último fenómeno, se puede apreciar en la figura 20 como se forma la ferrita acicular precisamente a partir de dichas inclusiones.
De acuerdo a la composición de la carga (óxido de hierro, polvo de aluminio y sínter de níquel) y en correspondencia a lo previsto, la presencia de óxidos metálicos, ha contribuido a la formación de este tipo de estructura.
El níquel como elemento fundamental en la carga del electrodo fabricado, es el que ha contribuido a la presencia del mismo en el cordón de soldadura en el orden de un 2 por ciento, como se aprecia en la tabla 9.
En la figura 11, se puede observar como contenidos de este elemento en el metal depositado puede favorecer la formación de la ferrita acicular lo cual fundamenta los resultados obtenidos.
Por otro lado, la dureza del depósito, también permite validar de cierta manera los resultados anteriormente señalados.
En la tabla 10 aparece la dureza obtenida en el centro del cordón para el depósito estudiado, donde el valor promedio está en el orden los 262 Vicker, valor superior al obtenido en la soldadura en condiciones atmosféricas en trabajos anteriores [32] relacionado con el desarrollo de electrodos tubulares para un 15 por ciento de sínter de níquel en la carga, como se puede observar en la figura 22.
Tabla 10. Dureza en el centro del cordón para los depósitos obtenidos con los electrodos fabricados
Mediciones de la muestra Dureza en HV de cada muestra
1 258 2 248 3 281 4 273 5 250
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Figura 22. Comportamiento de la dureza en dependencia del contenido de sínter de níquel en cordones realizados en condiciones atmosféricas con
electrodos tubulares [32]
El resultado anterior referido a que la dureza en depósitos realizados en condiciones atmosféricas es mayor se debe esencialmente, a que durante la soldadura subacuática mojada, la velocidad de enfriamiento es mayor que durante la soldadura convencional, aspecto que influye en la formación de una mayor cantidad de ferrita acicular como se puede observar en la figura 5, del Capítulo I.
De acuerdo a lo indicado en la figura 5, para la formación de la ferrita acicular es necesario que concurran simultáneamente varios factores donde se incluye el tiempo de permanencia entre 800 y 500 grados Celsius (t 8/5). Para una disminución de este parámetro, es decir mayor velocidad de enfriamiento puede favorecer a la formación de la ferrita acicular, aunque influye como se ha planteado anteriormente la composición química, el tamaño del grano austenítico y la presencia de inclusiones no metálicas.
Al obtenerse mayor cantidad de ferrita acicular, la dureza es superior, de acuerdo a la literatura [34], que el níquel influye en el aumento de la microdureza
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de este tipo de estructura, aunque no disminuye la tenacidad como sucede con otros elementos aleantes, como es el caso del cromo.
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CONCLUSIONES
1. El revestimiento que se utiliza en los electrodos es rutílicos, del tipo E 6013, con la adición de un 20 por ciento de calcita, puede ser utilizado en la fabricación de electrodos tubulares para el proceso manual destinados a la soldadura subacuática mojada, considerando los buenos resultados en cuanto a la estabilidad del arco, desprendimiento de la escoria y aspecto del cordón.
2. La fabricación de electrodos tubulares utilizando como carga aleante, una mezcla de óxido de hierro, polvo de aluminio y adiciones de sínter de níquel, ha demostrado las potencialidades de este consumible en la soldadura subacuática mojada, por la formación en el cordón de la ferrita del tipo acicular, lo cual aumenta la tenacidad de la unión.
3. La obtención de cordones sin la presencia de poros y grietas, es otro de los aspectos que indica las perspectivas de utilización de este consumible de soldadura en condiciones subacuáticas.
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RECOMENDACIONES
1. Evaluar en lo posible, la cantidad de hidrógeno difusible en el metal depositado con el electrodo fabricado durante la soldadura subacuática mojada.
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