Inﬂuencia de la velocidad de pasada e intensidad de...

Revista Ingenierıa UC, Vol. 21, No. 2, Agosto 2014 43 - 51

Influencia de la velocidad de pasada e intensidad de corriente en lasoldadura orbital GTAW del acero inoxidable AISI 304.

L. Medinaa, P. Romana, E. Irobaa, S. Cabello∗,b, L. Saenzb, A. Porrelob, O. Urbanoc

aEscuela de Ingenierıa Mecanica, Facultad de Ingenierıa, Universidad de Carabobo. Valencia, Venezuela.bCentro de Investigaciones en Mecanica, Universidad de Carabobo. Valencia, Venezuela.

cDepartamento de Materiales y Procesos de Fabricacion. Facultad de Ingenierıa. Universidad de Carabobo. Valencia,Venezuela.

Resumen.-

Esta investigacion se basa en la caracterizacion de juntas de acero inoxidable AISI 304 provenientes del procesode soldadura orbital GTAW, mediante ensayos mecanicos y tecnicas de ensayos no destructivos (END), empleandocomo variables de estudio la intensidad de corriente y la velocidad de pasada. Para nueve combinaciones deestos parametros fueron analizados la resistencia a la traccion, dureza y microestructura de acuerdo a las normasASTM y los resultados de la aplicacion de los END. de acuerdo al codigo ASME. Se encontro que al aumentar laintensidad de corriente, tanto la dureza como los parametros de resistencia disminuyen, mientras que al incrementarla velocidad de pasada se consiguen los valores mas altos de dureza y resistencia. La menor proporcion de defectosinternos y superficiales detectados mediante END, ası como los valores mas altos de dureza y resistencia mecanicaestuvieron asociados a la condicion G (34,5 A; 196,29 mm/min).

Palabras clave: AISI 304, Soldadura Orbital, GTAW.

Influence of electrical current intensity and pass velocity on GTAWorbital welding in stainless steel AISI 304.

Abstract.-

A study concerning to characterization of welding joints in AISI 304 stainless steel produced by GTAW orbitalwelding employing mechanical tests and non destructive tests (NDT) has been developed. Study variables wereelectrical current intensity and pass velocity used in GTAW orbital welding process. For nine conditions wereanalysed tensile stress, hardness and microstructure according to ASTM standard practices and results from NDTin concordance to ASME code. It was found that an increment in pass velocity or a diminution in electricalcurrent intensity is associated with an increment in hardness and resistance parameters. Minor quantity of internaland superficial discontinuities detected trough NDT and higher values of hardness and resistance were found incondition G (34,5 A; 196,29 mm/min).

Keywords: Stainless steel AISI 304, Orbital welding, GTAW.

Recibido: Abril 2014Aceptado: Agosto 2014

∗Autor para correspondenciaCorreo-e: [email protected] (S. Cabello)

1. Introduccion.

La soldadura orbital es un metodo de soldaduraTIG automatica, que produce cordones de altacalidad, con un porcentaje muy bajo de rechazo.Se puede lograr uniones de alta resistencia yelevada pureza metalurgica aunado a un excelenteacabado superficial. Por ello, es una tecnicade soldadura por excelencia en las industrias

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energetica, nuclear, quımica, aeronautica, alimen-ticia, farmaceutica, petrolera, biotecnologica, entreotras [1, 2]. En este tipo de industrias no sonaceptables las paradas de produccion y se hace im-prescindible la seleccion de los mejores materialesası como la tecnologıa para obtencion de acabadosde primera calidad.

El proceso de soldadura orbital permite agilizarlos procesos productivos, haciendolos en menortiempo debido a la automatizacion de los mismos,manteniendo la eficiencia; tambien permite mejo-rar el control de calidad, aumentar la resistencia ala corrosion, ademas de obtener mejores acabadossuperficiales y uniformidad en las juntas [3].

La soldadura orbital es aplicada en todas lasareas de soldadura de tuberıas. Aunque el procesoes principalmente usado para materiales austenıti-cos y ferrıticos, tambien puede ser usado para alu-minio, titanio y aleaciones, con buenos resultados.Tanto tuberıas de pared gruesa como de pareddelgada se sueldan economicamente [4] y por sualta calidad es considerada como una solucion antelas labores de soldadura exigentes [5].

En este orden de ideas, es necesario un estudiode las variables influyentes en el proceso desoldadura orbital GTAW, en especial para tuberıasde acero inoxidable 304, ampliamente utilizadoactualmente en las instalaciones de las industriasantes mencionadas. Debido a la innovacion deeste metodo de soldadura en Venezuela, los desa-rrollos tecnologicos y la difusion de informacionrelacionada con la soldadura orbital no ha sidotan profusa, como los metodos de soldaduraconvencional, por ejemplo, por arco electricoutilizando electrodos como material de aporte.

El conocimiento de la influencia de las va-riables: voltaje, amperaje, separacion entre caras,concentracion y caudal del gas inerte, condicionesde temperatura, humedad y confinamiento esnecesario para mantener los niveles de cali-dad en los productos terminados [6]. Por otraparte, la caracterizacion de materiales medianteensayos mecanicos tradicionales y observacionmicroscopica es insuficiente cuando de juntassoldadas se trata, y es aquı donde las tecnicas deensayos no destructivos cobran vital importancia.

Los defectos existentes en materiales metalicos,

especialmente en lo concerniente a soldaduras sonevaluados usualmente mediante la caracterizaciona traves de ensayos mecanicos y observacionmicroscopica, sin embargo, los ensayos no des-tructivos, ofrecen la posibilidad de cuantificardefectos en una mayor extension del material,sobre todo cuando se le compara con tecnicas deobservacion microscopica [7].

Esta investigacion esta centrada en la evaluacionde los parametros: intensidad de corriente yvelocidad de pasada, utilizados en el procesode soldadura orbital GTAW aplicado a tuberıasde acero inoxidable AISI 304, mediante ensayosmecanicos (traccion, doblado y microdureza) ypruebas no destructivas (radiografıa industrial ylıquidos penetrantes).

2. Procedimiento experimental.

El estudio se llevo a cabo empleando tubos deacero inoxidable AISI 304, de diametro nominal 1-1/2” y 1,25 mm de espesor de pared suministradopor VENCRAFT VENEZUELA C.A. La compo-sicion quımica se muestra en la Tabla 1.

Tabla 1: Composicion quımica del acero ( % en peso).

C Si Mn P S Cr Ni0,07 1,00 2,00 0,045 0,015 18,00 9,50

En relacion a las variables de soldeo se es-tudio tres niveles de intensidad de corriente(I1: 34,5 A; I2: 39 A e I3: 43 A) y tres nivelesde velocidad de pasada (V1:119,69 mm/min; V2157,99 mm/min y V3: 196,29 mm/min). Por tanto,se dispuso de nueve combinaciones posibles. Losparametros de soldadura empleados en las distintascondiciones estudiadas se resumen en la Tabla 2.

Para evaluar el comportamiento mecanico delas juntas a las distintas condiciones de estudiose realizo ensayos de traccion, microdureza ydoblado. En cuanto a los END, se aplico lastecnicas de lıquidos penetrantes y radiografıaindustrial. Asimismo, fue realizado un estudio dela microestructura mediante microscopıa optica.


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Tabla 2: Parametros de soldadura utilizados en las diferentescondiciones de estudio.

Condicion Velocidad de pasada(mm/min)

Intensidad decorriente (A)

A 119,69 34,5B 39C 43D 157,99 34,5E 39F 43G 196,29 34,5H 39I 43

Ensayo de traccion. Con este ensayo se de-termino la resistencia mecanica de las juntasde acuerdo a las recomendaciones de la normaASTM E-8. Se ensayaron 27 probetas, tres porcada combinacion de parametros. Para ello fueutilizada una maquina universal de ensayos marcaGALDABINI, de 20 Ton de capacidad. Velocidaddel desplazamiento del cabezal: 5 mm/min.

Ensayo de microdureza Vickers. Se realizo segunla norma ASTM E-384, empleando como penetra-dor una piramide de diamante de base cuadrada.La microdureza Vickers, fue determinada en cadazona del cordon (zona fundida, zona afectada porel calor y zona adyacente) por cada una de lascondiciones de estudio.

Ensayo de doblado. Se realizo para determinarla capacidad de las juntas de doblarse en U sinagrietamiento, para ello se realizo 2 dobladosde raız y 2 doblados de cara para cada una delas condiciones estudiadas, para un total de 36ensayos.

Tecnica de lıquidos penetrantes. Esta tecnicase aplico de acuerdo a lo especificado en elcodigo ASME Seccion V, artıculo 6, con elfin de determinar discontinuidades abiertas a lasuperficie. Inicialmente se aplico la limpieza conun removedor comercial en una zona que abarcaaproximadamente 1” de retiro del cordon de sol-dadura. Una vez seco, se procedio a la aplicaciondel lıquido penetrante sobre el cordon, cubriendolocompletamente durante 15 minutos. Luego, se

limpio el excedente antes de la aplicacion delrevelador.

Radiografıa industrial. Esta tecnica se aplico deacuerdo a las especificaciones del codigo ASMESeccion V, artıculo 2. Se utilizo un equipo deRX ANDREX SMART 225 y para la observaciony analisis de las placas, un negatoscopio VIEW-LITE con una fuente de poder de 110-220 VAC,50/60 Hz, serie 2494.

Microscopıa optica. La preparacion metalograficade las muestras se inicio con las fases de corte,desbaste y pulido. Luego se procedio al ataque,utilizando como reactivo agua regia (15 ml deHCL y 5 ml de HNO3). Posteriormente, seobtuvieron imagenes de la microestructura de cadauna de las condiciones evaluadas a diferentesaumentos.

3. Resultados y discusion.

Las Figuras 1 y 2 muestran las microestructurasde las condiciones evaluadas. Independientementede las condiciones observadas, se aprecia unpatron similar, diferenciado solo por la zona enrelacion al cordon de soldadura. En lo que respectaa la zona del metal base, se distinguen granospoligonales y homogeneos de austenita debido alcontenido de cromo y nıquel del acero inoxidable304.

En la zona afectada por el calor, se presenta unaumento progresivo en el tamano de grano, loscuales se van alargando a medida que se alejandel metal base hacia la ZAC; ademas, se observanprecipitados, presumiblemente de carburos decromo en la parte mas cercana a la zona fundidaproducto del calor generado por la soldadura.

El efecto del calor aportado durante el proce-so de soldadura GMAW sobre las propiedadesmecanicas y las observaciones microestructurales,especialmente en la ZAC, tambien ha sido reporta-do por otros autores [8, 9].

En la zona correspondiente a la zona fundida,se aprecian granos de ferrita columnar, productode la solidificacion, en la que los carburos decromo irrumpen los lımites de grano y originan laformacion de ferrita en las fronteras de los granos



Figura 1: Microestructuras observadas para las condiciones A, B, C y D correspondientes de izquierda a derecha: materialbase, zona afectada por el calor y zona de fusion.

austenıticos; la ferrita que se forma se ubica en loslımites de grano de la austenita. Para este caso losgranos austenıticos son mas pequenos, productode la contraccion del material al solidificarserapidamente; ademas, el enfriamiento rapido delmaterial en la zona fundida pudo causar laaparicion de lo que se presume sean carburos decromo, dada la composicion del acero.

Tabla 3: Propiedades mecanicas para cada una de lascondiciones evaluadas.

Condicion σy (N/mm2) σu (N/mm2) σf (N/mm2)A 137 609 522B 143 607 507C 119 596 536D 159 667 579E 151 616 538F 160 625 532G 185 655 599H 182 646 597I 124 589 542

En la Tabla 3 se muestran las propiedadesmecanicas obtenidas a partir de los ensayos detraccion realizados a cada una de las condicionesestudiadas. σy: Esfuerzo de fluencia, σu: Esfuerzomaximo y σf: Esfuerzo de rotura.

En la Figura 3, se muestra en forma grafica la va-riacion de los parametros de resistencia para cadauna de las condiciones estudiadas. Puede notarsepara los diferentes parametros, que un aumento enla velocidad de pasada genera cordones de mayorresistencia. En lıneas generales, incrementando lavelocidad en 64 % y manteniendo constante laintensidad de corriente, se obtuvo en promedioun incremento del esfuerzo de fluencia, esfuerzomaximo y esfuerzo a la rotura de 22 %, 6 % y 11 %,respectivamente. Por otra parte, los incrementosen la intensidad de corriente tienen la tendenciade disminuir la resistencia mecanica. Especıfica-mente, incrementando la intensidad de corrienteen 25 % y manteniendo constante la velocidad de



Figura 2: Microestructuras E, F, G, H e I correspondientes de izquierda a derecha: material base, zona afectada por el calor yzona de fusion.

pasada, el esfuerzo de fluencia, esfuerzo maximoy esfuerzo de rotura disminuyeron en promedioen 22 %, 7 % y 6 %, respectivamente. Lo anteriortiene su justificacion en el hecho de que aldisminuir el tiempo de exposicion del metal a lafuente calorıfica, que equivale a un aumento en lavelocidad de pasada, el crecimiento de grano seve limitado, favoreciendo la resistencia mecanica.Una explicacion analoga ocurre con el aumentoen la intensidad de corriente; al aumentar laintensidad de corriente se favorece el crecimientode grano, disminuyen los lımites de grano ypor ende disminuye la resistencia mecanica delmaterial. Los valores de dureza obtenidos para

Tabla 4: Valores de dureza promedio para las distintascondiciones evaluadas y a diferentes zonas.

Condicion HV Metal base HV ZAC HV CordonA 188 193 196B 180 188 194C 184 190 192D 180 194 221E 188 190 201F 182 192 200G 185 195 227H 182 193 222I 179 195 204

las diferentes condiciones y a lo largo de las zonas



(a)

(b)

(c)

Figura 3: Variacion del esfuerzo de fluencia (a), esfuerzomaximo (b) y esfuerzo de rotura (c) con la intensidad decorriente.

afectadas por el calor en el cordon de soldadura semuestran en la Tabla 4. En la Figura 4 se ilustrande manera grafica.

Se aprecia la disminucion de la dureza con elaumento de la intensidad de corriente para lasdistintas velocidades de pasada. Especıficamente,manteniendo constante la velocidad de pasada eincrementando la intensidad de corriente en 25 %,la dureza promedio en el metal base, en la zonaafectada por el calor y en el cordon disminuyenen 1,45 %, 0,87 % y 8 % respectivamente. Por otraparte, se observa como a medida que la velocidadde pasada es mayor, la dureza obtenida es tambienmayor; concretamente, manteniendo constante la

(a)

(b)

Figura 4: Variacion de la dureza con la intensidad decorriente en la zona afectada por el calor (a) y en la zonadel cordon (b).

intensidad de corriente e incrementando la velo-cidad de pasada en 64 %, la dureza promedio enel metal base, en la zona afectada por el calory en el cordon se incrementan 0,91 %, 2,11 %y 12,16 %, respectivamente. Lo anterior ya hasido justificado para los parametros de resistenciaque estan relacionados de manera directa con ladureza. Sin embargo, para otros aceros inoxidablesque han sido soldados mediante GMAW, como elcaso del duplex SAF 2205, se ha reportado que losparametros de soldadura no ejercen una influenciasignificativa sobre las propiedades mecanicas,especialmente cuando se compara la tenacidad[10].

De los ensayos de doblado y raız realizados alas diversas condiciones se encontro que todas lasprobetas resistieron la deformacion, a excepcionde las condiciones C, F e I que mostraron fallas deagrietamiento superficial del cordon o separacionde la junta. A partir de las pruebas de lıquidospenetrantes se pudieron detectar discontinuidadesabiertas a la superficie. Las discontinuidadessuperficiales encontradas fueron porosidades yfalta de fusion. En la Figura 5 se senalan las



Figura 5: Resultados de la prueba de lıquidos penetrantes para las condiciones estudiadas. Las muestras evaluadas para lascondiciones B y E no presentaron defectos en esta prueba.

discontinuidades referidas.Al realizar el estudio de las muestras mediante

lıquidos penetrantes se analizo el aspecto dela superficie, logrando detectar discontinuidadesabiertas. Luego de realizar una comparacion entrelas mismas se logro determinar mediante la obser-vacion directa que las probetas que se encuentranen la combinacion de parametros B (39 A;119,69 mm/min) y E (39 A; 157,99 mm/min) nopresentaron ninguna porosidad o defecto en laperiferia de las soldaduras y la que se encuentraen la combinacion G (34,5 A; 196,29 mm/min)presento la discontinuidad superficial mas pe-quena. En cuanto a las pruebas radiograficas, sedetectaron discontinuidades de tres tipos: falta depenetracion del cordon de soldadura, porosidadesy concavidades internas, las que se muestran en laFigura 6. Por otro lado, en la busqueda de defectosinternos, la combinacion de parametros G (34,5 A;196,29 mm/min) fue la que reporto menos defectos

que comprometen el desempeno del cordon desoldadura mostrando solo falta de fusion.

4. Conclusiones.

Se evidencio la influencia del calor aportado enel proceso de soldadura orbital GTAW al estudiarla microestructura de la ZAC, observandose elaumento del tamano de grano de grano y la for-macion de carburos (presumiblemente de cromo,dada la composicion del acero) a expensas dela disminucion de la dureza del material y porende, aumento de la ductilidad. Lo anterior explicala disminucion del esfuerzo de fluencia, comoproducto del ablandamiento del material por efectodel calor suministrado.

Debido a la contraccion provocada por el en-friamiento rapido a causa de las altas temperaturasalcanzadas en la soldadura se observa como losgranos de la zona fundida presentan menor tamano



Figura 6: Resultados de la pruebas radiograficas para las distintas condiciones evaluadas.

que los del metal base. Al igual que en la ZAC,hay presencia de carburos de cromo en los lımitesde grano y en algunos casos de ferrita columnar,esto se traduce en un aumento de la dureza delmaterial, lo que confirma los resultados obtenidosen los ensayos de microdureza.

El aumento de la velocidad de pasada o dismi-nucion de la intensidad de corriente se refleja comoun aumento en la resistencia mecanica y durezadel cordon de soldadura. Especıficamente, en losintervalos de velocidades de pasada e intensidadesde corriente evaluadas se encontro que, incre-mentando la velocidad en 64 % y manteniendoconstante la intensidad de corriente, se obtuvo enpromedio un incremento del esfuerzo de fluencia,

esfuerzo maximo y esfuerzo a la rotura de 22 %,6 % y 11 %, respectivamente. Por otra parte,incrementando la intensidad de corriente en 25 %y manteniendo constante la velocidad de pasada, elesfuerzo de fluencia, esfuerzo maximo y esfuerzode rotura disminuyeron en promedio en 22 %, 7 %y 6 %, respectivamente. En relacion a la dureza:manteniendo constante la velocidad de pasada eincrementando la intensidad de corriente en 25 %,la dureza promedio en el cordon disminuyo en8 % y manteniendo constante la intensidad decorriente e incrementando la velocidad de pasadaen 64 %, la dureza promedio en el cordon seincremento 12,16 %.

Entre las variables estudiadas, en los intervalos



de evaluacion, la mejor opcion para la solda-dura orbital GTAW del AISI 304 de diametronominal 1-1/2” y 1,25 mm de espesor de paredes la combinacion de parametros G (34,5 A;196,29 mm/min), puesto que presento la menorcantidad de imperfecciones tanto superficialescomo internas detectadas por END ası como losmas altos valores de resistencia mecanica y dureza.

Agradecimientos.

Al Consejo de Desarrollo y Humanıstico de laUniversidad de Carabobo por el financiamiento delproyecto grupal CDCH-2010-006.

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