Efecto de la corriente sobre las propiedades de depósitos de un electrodo de recargue.

Resumen

Se aborda el estudio de la influencia de la corriente de
soldadura sobre las propiedades de los depósitos
(parámetros de consumo, dimensiones de los cordones,
metalografía y dureza) realizados con el electrodo para
recargue, con vista a optimizar régimen de
aplicación. Para ello fueron realizados depósitos
con tres valores de corriente, 120 A, 145 A y 160 A,
respectivamente, registrándose el tiempo de soldadura, la
longitud del cordón; así como la masa inicial y
final de las probetas y el electrodo. A partir de los datos
obtenidos se determinaron los parámetros de consumo.
Llegándose a determinar el mejor régimen de
soldadura donde se maximizan los elementos que caracterizan el
depósito.

Introducción

La tecnología de soldadura de recargue actual
permite prolongar la vida útil de las máquinas a un
nivel superior a su diseño. Las piezas desgastadas pueden
repararse y volverse a poner en servicio [1]. Con esto pueden
lograrse ahorros considerables ya que se reducen los inventarios
de piezas de repuesto y las piezas reparadas pueden durar
más que la original. Sin embargo, en los momentos actuales
donde el costo de los portadores energéticos y el
particular el uso de la energía eléctrica es un
elementos esencial ha la hora de establecer cualquier proceso
tecnológico, se debe tratar por todos los medios que los
procesos de relleno superficial por soldadura sean capaces de
aportar grandes volúmenes de metal sin un gran incremento
en el consumo de la corriente eléctrica

El electrodo en estudio (que deposita alto cromo,
molibdeno y vanadio con medio carbono) es un material de aporte
que se utiliza en las más variadas aplicaciones, entre
estas podemos citar: puntas de raspadores de molinos en la
industria azucarera, bordes de transportadores de sinfín
en la industria de materiales de la construcción, alabes
de ventiladores de tiro inducidos en la industria
energética, etc., no existe información vinculada
al comportamiento de los parámetros de consumo,
dimensiones del cordón y comportamiento
metalográfico con la variación de la corriente de
soldadura [2], esto como es de esperar impide la
elaboración de una tecnología de relleno. Es por
ello que en este trabajo se ha trazado el objetivo de obtener las
relaciones de los paramentos que caracterizan el deposito del
electrodo (parámetros de consumo, forma y dimensiones del
cordón y cuadro microestructural) con la corriente de
soldadura.

Materiales y
métodos

En el trabajo fue utilizado un electrodo de recargue de
diámetro 4 mm y 350 mm de largo. Teniendo en cuenta que en
el proceso SMAW, los elementos vinculados al consumo de la
energía eléctrica son la corriente de soldadura
(Is) y el voltaje de arco (Va), sin embargo este ultimo al igual
que la velocidad de soldadura está asociada con la
habilidad del soldador y que el voltaje no puede controlarse
independientemente de la corriente se tomó como variable
de entrada para los experimentos la corriente de soldadura (Is)
(tratando de mantener constante la velocidad de soldadura). En el
electrodo la corriente fue variada en un rango de 120 a 160 A. la
planificación experimental se muestra en la tabla
1.

Tabla 1.

Para la obtención de los depósitos, y de
esa forma para valorar la geometría de las uniones, chapas
de prueba de acero AISI 1020 de 200 x 75 x 10 mm, las cuales
fueron fijadas para evitar la deformación, luego de ser
previamente limpiadas de herrumbres y otras
suciedades.

El tiempo de arco fue medido por un cronómetro
con precisión mínima de (0.2 seg. Luego de realizar
los depósitos se limpiaron las planchas cuidadosamente con
piqueta, cincel-martillo y cepillo de alambre para eliminar los
restos de salpicaduras y escoria.La realización de este
estudio se baso en la norma ISO 2406-2004 [3]. Los
depósitos fueron cortados transversalmente con una
cortadora metalográfica. Luego de pulido a espejo les fue
realizado el ataque con nital al 2%, con vistas a revelar la
forma del cordón (ancho y altura del refuerzo del
cordón).

La composición química de los
depósitos sin dilución fue determinada por
emisión atómica. Los depósitos para
análisis químico fueron obtenidos en base a la
norma AWS A5.13-2002 "Specification for Surfacing Electrodes for
Shielded Metal Arc Welding" [4].

A las probetas correspondientes a diferentes valores de
corriente y debidamente preparadas y atacadas se le
practicó la determinación de perfiles de
microdureza partiendo desde el metal base en dirección
ascendente hacia el metal depositado por el centro del
depósito. La medición de la microdureza fue
realizada con un microdurómetro Shimadzu con una carga
aplicada de 100 g y con aumento de 400X. Se realizaron mediciones
a 18 niveles del depósito para la probeta de 120 A y de 15
niveles para las de 145 y 160A. En cada nivel se realizaron 3
mediciones.

Se determinó para cada probeta (120 A, 145 A y
160 A, respectivamente) el valor medio de dureza Vickers, a
partir de 3 mediciones en el centro superior del
depósito.

Resultados y
análisis

Resultados de los parámetros de
consumo

En la tabla 2 se muestran los resultados del pesado de
los materiales, antes y después de la realización
de los depósitos. En la tabla se exponen también
los diferentes tiempos de soldadura, el rendimiento real o
eficiencia del depósito, la tasa de consumo y la tasa de
deposición para las tres variantes del electrodo evaluadas
con los diferentes valores de corriente.

Tabla 2 – Resultados de consumo y
deposición del electrodo

De acuerdo a los resultados el rendimiento superior se
obtiene con la menor intensidad de corriente de soldadura lo cual
se puede apreciar en el figura 1. Por tanto desde este punto de
vista el menor valor de corriente ofrece los mejores resultados
de aplicación de recargue con este electrodo. Este hecho,
que favorece el rendimiento para bajas corrientes (para 120 A),
provoca un efecto negativo para mayores corrientes, donde se
genera una mayor oxidación y pérdidas de los
elementos de la carga aleante en el revestimiento, haciendo menor
su incorporación al depósito
metálico.

Figura. 1. Comportamiento del rendimento
real o eficiencia del depósito del electrodo estudiado con
la variación de la corriente.

Por otra parte se observa que al aumentar la corriente
existe una tendencia al aumento en la tasa de consumo hasta el
entorno de los 140 A y luego se satura (Figura 2). Este
comportamiento podría estar asociado a las pérdidas
por la descomposición de la caliza que sufre un proceso de
disociación endotérmica (CaCO3= CaO+ CO2) en el
entorno de 850 oC, un posterior aumento de la corriente (de la
Energía de Entrada) no experimenta efecto ya que la propia
oxidación de elementos desoxidantes (que se verifica con
carácter exotérmico) que también aumenta con
la Energía de Entrada hace un efecto compensatorio. Lo
anterior se corresponde con el comportamiento de la Tasa de
Deposición de la figura 3, donde se advierte que las
pérdidas disminuyen en la medida que aumenta la corriente
como prueba aún cuando el consumo se detiene, según
la figura 2, los elementos de aleación siguen disminuyendo
su transferencia al depósito. Es necesario plantear que en
plena correspondencia con la tasa de consumo a partir de 145 A
hay un cambio en la pendiente de la
disminución.

Figura. 2- Variación de la tasa de
consumo o fusión con la corriente de soldadura.

Figura 3. Variación de la tasa de
deposición en función de la corriente de
soldadura

.

Comportamiento de la geometría del
cordón con la variación de la corriente de
soldadura

La geometría de los cordones está muy
relacionada con la regularidad de su apariencia. Estos problemas
de la irregularidad traen asociadas dificultades para establecer
las dimensiones de los cordones, pero no impide que se realice
haciendo cortes transversales de los depósitos en las
zonas más representativas de un comportamiento medio. En
la tabla 3 se muestran los resultados de las dimensiones de los
cordones.

Tabla 3 Geometría de los cordones
realizados con la variación de corrientes.

Con el aumento de la corriente la profundidad de
penetración aumenta (figura 4). Esto es algo ampliamente
abordado en la literatura especializada, estando su fundamento
asociado a la potencia específica del arco, o sea la
relación de calor generado hacia la pieza por unidad de
tiempo y al área de contacto entre la pieza y el arco. En
este trabajo se utilizó corriente continua con polaridad
invertida (CC+), por tanto la zona catódica está en
el metal base y el calor generado en esta zona (calor de la zona
catódica, Qc) es responsable del calentamiento y
fusión del metal base y la potencia específica
asociada (QC/Ao), sería la responsable de la fusión
local. La energía Qc está dada por la
energía generada por el paso de los electrones por la zona
catódica (QV=I·VC, donde Vc es la tensión
catódica), menos la energía que se precisa para la
emisión de eletrones en el cátodo(Q(=I·(,
donde ( -función de trabajo) y la energía que se
requiere para el calentamiento de este a la temperatura de arco
(QT=3/2KTI/e, de T es la temperatura del arco, K la constante de
Boltsman y e es la carga del electrón). O sea
QC=I(VC-3/2(KT/e)- (), aumentando de forma proporcional con el
aumento de la corriente [5].

Para el caso del ancho de los cordones existe una
tendencia a la disminución con la corriente (figura 5)
esto podría estar asociado a una disminución del
metal depositados según la figura 3, que sin dudas se
refleja en el área sobre la cual se distribuye el
cordón, esto es considerando que no ocurran cambios
significativos en la fluidez del metal fundido que se
deposita.

Figura 4. Variación de la
penetración de los cordones con la variación de la
corriente.

Figura 5. Variación del ancho de
los cordones con la variación de la corriente

En el caso de la altura de refuerzo (ver figura 6) el
comportamiento es similar al ancho, disminuye con la corriente y
evidentemente se explica por la misma causa que el ancho, por la
disminución con la corriente de la Tasa de
Deposición (figura 3).

El área de refuerzo (figura 7) disminuye con la
corriente lo que esta en plena correspondencia con la
disminución del ancho y la altura de refuerzo de los
depósitos, lo que a su vez se corresponde con la
disminución de la Tasa de deposición de la figura
3, como ya fue planteado. Por otra parte el área de
fusión (figura 8) aumenta con la corriente como resultado
de una mayor penetración

Figura 6. Variación de la altura
del refuerzo de los cordones con la variación de la
corriente.

Figura 7 Variación del área
de refuerzo con la variación de la intensidad de corriente
de soldadura

La dilución aumenta con el aumento de la
corriente (figura 3.9), lo cual es algo esperado de los
resultados del comportamiento de las áreas de
penetración y depositada de las figuras 3.7 y 3.8. Tal
comportamiento de la dilución en cierta medida resume el
comportamiento de la geometría desde el punto de vista del
recargue y da criterio del mejor comportamiento para menores
corrientes, lo cual a su vez se corresponde con la mayor
deposición para bajas corrientes [6]. Por tanto, dentro
del rango evaluado los mejores resultados se obtienen para la
corriente de 120 A y debe ser esta la preferente a utilizar para
lograr los mejores resultados en el recargue.

Figura 8 Variación del área
de fusión con la variación de la intensidad de
corriente.

Figura 9 Variación del coeficiente
de dilución con la variación de la intensidad de
corriente

Caracterización química y
metalográfica de los depósitos

La tabla 4 muestra la composición química
del depósito sin dilución, obtenido con una
corriente de 145 A. Se observa que el depósito está
caracterizado por altos contenidos de Cr y niveles significativos
de Mo y V que son elementos formadores de carburos a considerar
en función al contenido de carbono del depósito
[7].

Tabla 4 Composición química del
depósito sin dilución obtenido con una corriente de
145 A.

En la figura 10 se reportan los valores de microdureza
obtenidos para diferentes corrientes de soldadura y diferentes
niveles del depósito. Son reportados además los
valores medios para cada nivel de medición.

De la observación de la figura 10 se evidencia
que para una misma probeta (para una misma corriente) y como era
de esperar la dureza varía significativamente entre el
metal base y el depósito (a partir del 8 ó 10 nivel
de medición), sin que se perciban diferencias
significativas dentro de este último. Ello deja claro que
el efecto de la dilución no afecta significativamente las
propiedades del depósito, aspecto que no coincide
plenamente con lo reportado en la tabla 3 en cuanto al
comportamiento de la geometría de los depósitos y
que por tanto debe ser esclarecido en el estudio posterior a
partir de un análisis riguroso de la microestructura
corrientes [8]. De igual modo no se percibe variación en
los valores de microdureza para las diferentes probetas
(diferentes corrientes), a pesar que en la tabla 3 se reporta la
diferencia en los valores de dilución, lo cual
también debe ser esclarecido en un estudio posterior
más riguroso.

De otro lado, los valores de microdureza en la zona del
depósito (figura 10) son similares para todas las probetas
(todas las corrientes), a la vez que se percibe que al pasar del
metal base a la zona fundida del cordón hay una
variación brusca en los valores de microdureza. Tal
comportamiento de la microdureza frente a la corriente para las
diferentes probetas y en la dirección ascendente del
depósito para una misma probeta son indicios de que la
dilución, obtenida a partir de la geometría de los
depósitos (figura 9), no modifica las propiedades del
cordón. Otro aspecto a considerar es que los valores de la
microdureza de las zonas blancas (ver tabla 5) de la
microestructura son superiores a los correspondientes a la
austenita, siendo esto un criterio de que podría existir
la presencia de carburos dispersos de Cr, Mo y V dentro de estas
zonas, que tal vez serían detectados con una
técnica de caracterización más avanzada
(Microscopía Electrónica de Barrido)
[9].

Figura 10. Perfil de microdureza en
función de la corriente de soldadura, determinado en forma
ascendente desde el metal base hasta la parte superior del
depósito.

Finalmente, se advierte cierta diferencia entre las
microestructuras de los depósitos con diferentes
corrientes (tabla 5) que si bien expresan que el proceso (la
corriente de soldadura) influye, no modifican significativamente
las propiedades (figura 10). No obstante, y como se advierte en
la figura 11, hay una tendencia a aumentar la dureza con la
corriente.

Tabla 5. Microestructura de los
depósitos para diferentes corrientes de
soldadura.

Figura 11 Dureza media de los
depósitos en función de la corriente de
soldadura.

Conclusiones

• 1- La eficiencia del depósito
  (rendimiento real) muestra un comportamiento decreciente con
  la corriente, siendo el mejor resultado (74 %) para una
  corriente de soldadura de 120 A. La tasa de fusión
  muestra un comportamiento contrario con su menor valor de
  19,47 g/min, también para la corriente de 120 A, a la
  vez que la tasa de deposición disminuye con el aumento
  de la corriente, siendo el mayor valor de 52,25
  g/min.

• 2- La penetración aumenta con la
  corriente, siendo su menor valor para 120 A de 1.46 mm, a la
  vez que el ancho y el refuerzo disminuyen con la corriente,
  siendo sus mayores valores de 9.77 mm y 3.57 mm,
  respectivamente para 120 A. La dilución aumenta con la
  corriente, al aumentar el área de penetración y
  disminuir la de refuerzo, siendo su menor valor para 120 A de
  18,96 %.

• 3- Del análisis metalográfico se
  percibe que no hay efecto en la microdureza de las zonas
  blancas en función de la corriente de soldadura, a la
  vez que aumenta la dureza media de los depósitos (481
  Hv, 618 Hv y 625 Hv, para 120 A, 145 A y 160 A,
  respectivamente).

• 4- De los resultados de parámetros de
  consumo (mayor rendimiento para 120 A) y geometría de
  los cordones (menor dilución para 120 A); así
  como el aumento de la dureza media se concluye que debe
  hacerse una valoración más integral para
  definir las mejores condiciones de régimen para la
  aplicación de recargue con el electrodo que incluya
  una evaluación de la durabilidad de componentes
  específicos (evaluación de resistencia al
  desgaste y/o evaluación en servicio de componentes
  recubiertos).

Bibliografía

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  recuperación de Piezas. Material de apoyo a la
  docencia. Editorial Feijóo. UCLV. 1999.
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• 3. Internacional Organization Standard, "ISO
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  la maestría en Ingeniería Mecánica.
  UCLV. 2000. Santa Clara. Cuba

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  Dyna. Noviembre Año:Vol 71, Número 144,
  Universidad Nacional de Colombia. Medellín, Colombia.
  pp. 165-171. Red de Revistas Científicas de
  América Latina y el Caribe, España y Portugal.
  ISSN 0012-7353. 2004

• 8. BÁLSAMO, P.S.S.; SCOTTI, A. &
  MELLO, J.D.B., Interpretación de la Microestructura de
  Recargues Duros Depositados por Soldadura Utilizando la
  Superficie de Líquidos de Diagramas Fe-Cr-C. Rev.
  Soldadura, 25 (4), 1995, CENIN, Madrid, pp. 199-207 (ISSN
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  8. Mechanical testing and evaluation. ASM International. ISBN
  0-87170-389-0. ASM International. OH. EUA. 2001.
  2235p

Autor:

Amado Cruz-Crespo1,

Eduardo Díaz Cedré1,

Tamara Ortiz Mendez2,

Enrique Velásquez Pérez1

1Centro de Investigaciones de Soldadura, Universidad
Central "Marta Abreu" de Las Villas, Facultad de
Ingeniería Mecánica, Carretera a Camajuaní
KM 5½, Santa Clara, Villa Clara, Cuba, Tel. (53) 42
281586

1Fábrica de Antenas< Villa Clara. Ministerio
de las Comunicaciones.