Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N° 2, 45 - 49. 45

INFLUENCIA DE LA SOLDADURA GMA W SOBRE LA RESISTENCIAAL IMPACTO DEL ACERO INOXIDABLE DÚPLEX SAF 2205

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 lasvariables intensidad de corriente, voltaje y velocidad de soldadura, ha tomado gran importancia a raíz de la crecienteaplicabilidad de los mismos en diferentes industrias, en especial en la petroquímica. El objetivo principal de este trabajo esdeterminar la resistencia al impacto de la junta bajo diferentes variables de soldadura y en condiciones similares a las que sepresentan en complejos criogénicos. Los ensayos fueron diseñados utilizando el proceso de soldadura a tope por arco eléctricoGMAW, con una fuente de poder constante y usando corriente directa y polaridad reversa. Se utilizó una placa de aceroinoxidable dúplex SAF 2205 como material base, como material de aporte un alambre de electrodo E-ER 2209 de acuerdo alas normas AWS5.4-92 y 5.9-93 Y Argón comercial puro como gas de protección. Los ensayos de impacto de las unionessoldadas no mostraron variaciones significativas en la energía absorbida, que evidencien un cambio en el tipo de fractura delmaterial en función de los parámetros de soldadura, para temperaturas de ensayo de - 40°C y 22°C. Para este acero y con lasvariables de soldadura seleccionadas, se pudo observar que no ocurre transición dúctil-frágil y la disminución de la tenacidades poco significativa.

Palabras Clave: GMA W, Dúplex, 2205, Resistencia, Impacto.

Abstraet

The study of the mechanical properties in butt joints for duplex stainless steels SAF 2205 under the influence of variablessuch as are current, are voltage and welding speed is important for determining the optirnise conditions for an efficient joint,since the applicability of this material in different industries especially the petrochemical. In this paper an attempt is made todetermine the impact strength of the butt joints not only under different welding variables but also at complex cryogenicconditions. Test were designed and performed using Gas Metal Are Welding process (GMAW) with a constant power sourceusing a direct current reverse polarity. A duplex stainless steel was used as the base metal and ER-2209 electro de wire as fillermetal as recornmended by AWS 4.92 and 5.9-93. After testing, the DSS weldments no ductile to fragile transition wereobserved in the temperature range used (-40°C to 22°C) and the energy values remained almost constant between bothtemperatures. Also the results did not show a significant variations in the toughness of values the we1ding process of DSSSAF 2205 under the range of the parameters used.

Key words: GMAW, Duplex, 2205, Impact, strength

1. Introducción

Dentro de las distintas gamas de los aceros inoxidablesencontramos los Dúplex, los cuales estánmicroestructuralmente conformados por una combinaciónferrita - austenita, cuya aplicabilidad ha venido creciendovertiginosamente en los últimos años en las diferentes in-dustrias. Las aleaciones Dúplex también pueden ser defi-nidas como un acero que presenta una estructura de dosfases con cantidades significativas. En otras palabras eltérmino acero inoxidable Dúplex representará la aleación

Fe-Cr-Ni formado con un 30 a un 70% ferrítico, para lainvestigación en específico, el indicativo 2205 resulta de lacomposición de 22% Cromo y 5% Níquel. El interés técni-co en estas aleaciones por encima de la serie 300 de acerosinoxidables austeníticos, es debido a su gran resistencia ala corrosión bajo tensión y por picaduras, además que elesfuerzo de fluencia es dos veces mayor que el de las alea-ciones anteriormente mencionadas. Estas aleaciones Dúplexcombinan algunas de las ventajas de los aceros ferríticos yausteníticos, pero también presentan algunas de las des-ventajas, de cada uno de ellos. Respecto a este material han

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surgido serios problemas al ser utilizado en procesos desoldadura, debido al intenso calentamiento y rápidos ciclosde enfriamientos inherentes al proceso; afectando las pro-piedades mecánicas de la junta a tal punto de fallar en lazona afectada por el calor (ZAC). Hasta ahora se han reali-zado investigaciones sobre la influencia de los parámetrosde soldadura sobre la penetración, sin embargo estosparámetros de soldadura tales como el voltaje de arco, laintensidad de corriente y la velocidad de soldadura son va-riables primarias u operacionales que pueden cambiar lageometría, las propiedades mecánicas, localización de lazona de falla y la microestructura de las soldaduras del ace-ro inoxidable dúplex SAF 2205. Por ello se hace necesarioestablecer como influyen sobre las propiedades mecánicasy la microestructura del metal soldado, es decir, en la cali-dad de la soldadura, para así establecer y fijar los parámetrosadecuados y óptimos de la misma.

Existen un sin número de investigaciones realizadas enaceros inoxidables dúplex principalmente en las áreas decorrosión, 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 específicoen cuanto a las soldaduras investiga el efecto de losparámetros sobre la corrosión localizada.

Barnhouse y Lippold (1994) evalúan el efecto de lamicroestructura del metal soldado sobre la dureza y la re-sistencia a la corrosión por picaduras de soldaduras disímilesentre un acero dúplex 2205 v uno estructural A36. Karisson(2001) relaciona las precipi: aciones de fases intermetálicasdurante las soldaduras (!e aceros inoxidables dúplex duran-te las soldaduras con las propiedades mecánicas.

McPherson. et. al. (2000) estudiaron una diversidad deuniones soldadas de acero dúplex 2205 empleandoelectrodos grado 2209 para procesos de soldadura empleadosen construcción naval, encontrando que el control de latemperatura entre los pases aumenta el contenido de ferritaen la zona de fusión y en la zona afectada por el calor, sinembargo no afecta significativamente las propiedadesmecánicas.

El enfoque de esta investigación es establecer el efectoen las propiedades mecánicas de las soldaduras de aceroinoxidable dúplex SAF 2205 con la variación en losparámetros de soldadura, el cual será estudiado y analizadoespecíficamente en términos de los cambios producidossobre la tenacidad o resistencia al impacto del metal soldado.

2. Procedimiento Experimental

El diseño de los ensayos se efectuó de manera tal depoder garantizar la correcta representación y evaluación dela influencia de los parámetros o variables de soldadurasobre la tenacidad de las probetas soldadas a tope de aceroinoxidable SAF 2205, es decir, la capacidad que muestranlas soldaduras de resistir cierto impacto sin fracturarse. Parala realización de los cordones de soldadura se utilizó unequipo para soldaduras automáticas de hilo continuo

GMAW, marca Cebara, modelo ISO MIG 4001 Synergic, ycon el acople de un carro de arrastre de electrodo de 4rodillos, mostrado en la figura 1, utilizando corriente con-tinua polaridad reversa (DCRP) y Argón COJ1l0 gas protec-tor

Como material base se utilizó acero inoxidable dúplexSAF 2205, marca Sandvick de 21Ox125x6.35. El materialde aporte seleccionado fue un alambre - electrodo GMA WE-ER 2209, marca Sandvik, tipo 22.8.3.L de 1 mm. dediámetro recomendado por la AWS 5.4-92 y cuyacomposición química, así como la del metal base, se muestraen la tabla 1.

Tabla 1. Composición química del acero inoxidable dúplex 2205y del electrodo ER 2209. (% peso/peso):•..

Elemento ~AF2205 ER-2209e 0.02 0.03Si 1.00 0.61

Mn 2.00 1.11

P 0.045 0.023S 0.030 0.006Cr 22.00 22.8Ni 5.5 9.1

Mo s.oo 2.99N o..r 0.12

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Para la selección de los parámetros de soldadura a serutilizados en la investigación se realizaron combinacionesde intensidad, voltaje y velocidad de soldadura de maneratal que, tanto el calor de aporte como cada una de las vari-ables, permanecieran en el rango recomendado por elfabricante Sandvick en su catálogo. En la tabla 2 se detallanlos parámetros empleados.

Tabla 2. Parámetros de soldadura experimentales

1 E v HIEnsayo

(A) (mi) O'llJllImin) (IO"ilJit)

A 253 26,5 500 0,$0

B 240 26,5 500 0,16

e 208 26,5 500 0,66

D 253 23,5 500 0¡'1

E 253 28,5 2SS l,óS

F 2.53 28,5 350 1,24-

G 2.53 213,5 .500 0,131- -- .. --

H 253 28,5 661 0,651 253 28,5 810 0,53

J 2.53 26,5 350 1,15

K 240 26,.5 350 1,09

L 208 26,.5 350 0,94-.- - ---

la'( 253 26,5 258 1,56

N 253 21,5 350 1,19

o 2.53 28,5 290 1,49

P 253 30 350 1,30

Q 253 28,5 300 1,44-

R 2.53 30,.5 500 0,93

S 210 21 500 O,s'l

T 200 21,5 500 0.66

Los cordones fueron soldados a lo ancho de las pletinasy en la zona central de las mismas. Una vez realizados loscordones para cada condición establecida se procedió aseccionar las pletinas y así obtener el material necesariopara fabricar el número de probetas correspondientes a losensayos de impacto y ensayos de tracción. Se mecanizó en

. .una fresadora una entalla a 45° sobre la dirección y áreadonde se encontraba el cordón. Para fabricar las probetasde impacto se buscó seguir la norma ASTM para pruebasde tenacidad de fractura, en específico para el métodoCharpy con entalle en V, lo cual no fue posible ya queninguna de las variantes de la norma concordó con ladisposición 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 figura2, de las que se puede obtener un análisis comparativo de laresistencia. Se empleó el péndulo de impacto, marca Ottocon apreciación de 0.1 kPm (13.825 J) y energía de péndulode 15 kPm (2073.8 J). Con la finalidad de determinar laexistencia de transición dúctil-frágil entre dos temperaturasestablecidas se realizaron las pruebas a 22 y -40 "C.

. ~45~ .r- 't'_~._'>, )'/ 1

f«--l _~~ d-12Dimansionas en mm,

Fig. 2. Probeta Charpy ensayada.

3. Resultados.

La tenacidad es una medida de la cantidad de energíaque un material puede absorber antes de fracturarse y seconvierte en un dato realmente importante para la ingenie-ría cuando es considerada como la capacidad de un mate-rial para resistirse al impacto sin ser fracturado. Los resul-tados de esta investigación se basan en la tenacidad de lasoldadura de un acero SAF 2205 ensayado por impacto.Los resultados obtenidos de los ensayos de impacto tipocharpy para probetas con entalle en V de acero dúplex SAF2205, a 22°C y - 40°C, son mostrados a continuación en latabla 3.

Al realizar el análisis de los resultados de los ensayosde impacto, el factor que se aprecia de forma inmediata y asimple vista es el hecho que no se produce para ninguno delos ensayos un cambio en el tipo de fractura de material,evidenciado a su vez por la inspección visual de las super-ficies fracturadas, las cuales son características de unafractura de tipo dúctil, tal como el metal base. La aparienciadel espécimen fracturado se puede correlacionar con laenergía absorbida, siendo característica de fracturas dúctilesy tenaces las superficies suaves y finas con evidencia dedeformación plástica, tal como lo mostraron las probetasensayadas. En estudios posteriores se analizarán en detallelas características de la fractura de las superficies ensayadaspor impacto.

3.1. Resistencia al impacto de las probetas soldadas vsresistencia al impacto del metal base .

Al analizar los valores de energía absorbida durante elimpacto de las probetas soldadas ensayadas, a 22°C de latabla 3, se puede notar que la influencia del proceso desoldadura sobre el material base no produce unafragilización significativa del material bajo ninguna de lasveinte combinaciones de parámetros sometidas al ensayo,aunque si genera caídas en los valores de energía para las

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pruebas a ambas temperaturas. La mayor variación mostradaen cuanto a la disminución de la tenacidad al impacto lomuestra la probeta A, siendo esta de un 22 % con respectoal promedio del metal base.

Tabla 3. Valores de energía absorbida en el ensayo de impacto deprobetas de acero SAF 2205 soldado mediante GMAW.

De igual manera ocurre al comparar los valores del metalbase con los de las probetas soldadas ensayados a -40 "C. Apesar de encontrarse mayores variaciones, hasta de un 49%para la probeta 0, la energía no cae a valores losuficientemente pequeños para indicar un cambio dúctil -frágil generado por la soldadura en el acero inoxidabledúplex. Sin embargo, es bien sabido que elsobrecalentamiento en los aceros menoscaba su tenacidadtal como se observa en los resultados de la tabla 3.

3.2. Temperatura de transición Dúctil - Frágil.

Al realizar los ensayos para el material base, se observaque no existe una transición en el modo de fractura dentrodel rango de temperatura escogido entre 22°C y -40 -cpara el acero inoxidable dúplex SAF 2205. Los aceros conbajo contenido de carbono tienen un rango de transición atemperaturas más bajas, y a su vez más estrecho que los

aceros con alto contenido de carbono, dado que el acero enestudio tiene un bajo contenido de carbono (0.02 %), pode-mos suponer que la temperatura de transición se encuentraen valores mucho menores que los empleados.

Al analizar y comparar los valores de energía de impac-to de las probetas soldadas bajo iguales condiciones y ensa-yadas a 22°C y -40 °c, se nota como este acero tiende aperder tenacidad a menor temperatura, hasta un 43% me-nos para la probeta F. No obstante, la disminución de ener-gía absorbida mostrada por las probetas a -40 °c no es losuficientemente representativa para manifestar una transi-ción en el modo de fractura del material.

Dentro del análisis de los ensayos de impacto se intentórelacionar los parámetros de soldadura con los valores deenergía registrados. Con este fin se graficó cada uno deellos frente a los resultados del ensayo, en busca de algunaposible tendencia, lo cual no arrojó ningún resultado signi-ficativo o del cual se pudiera realizar algún tipo de conclu-sión. Igualmente se realizó un análisis utilizando un pro-grama estadístico, intentando detectar alguna relación en-tre los valores de los parámetros de soldadura y los de ener-gía. Si bien los resultados de las curvas potenciales arroja-ron cierta tendencia, presentaron un nivel de error muy alto.Lo expuesto anteriormente nos lleva a concluir que el aná-lisis de los resultados de los ensayos de impacto no mues-tran ninguna relación que se pueda considerar entre losparámetros de soldadura y los valores y variaciones de laenergía.

4. Conclusiones.

• El acero inoxidable Dúplex SAF 2205 en estado deentrega no presentó transición de dúctil a frágil en el rangode temperatura seleccionado, entre 22°C y -40°C,manteniéndose los valores de energía casi invariables entreambas temperaturas, lo cual es característico de aceros demuy bajo contenido de carbono.

• El proceso de soldadura en el acero inoxidable DúplexSAF 2205 bajo el rango de parámetros estudiados, originavariaciones en los valores de tenacidad con respecto almaterial original, que no se consideran significativos encuanto a la transición de fractura dúctil a frágil en ningunade las dos temperaturas estudiadas (22°C y -4C°C). A suvez, el acero inoxidable Dúplex SAF 2205 soldado bajo elrango de parámetros estudiados origina variaciones entrelos valores de tenacidad a temperatura ambiente (22°C) ylos valores de tenacidad a-40°C, los cuales no se consideransignificativos para la determinación de una fragilización.

• Los parámetros de soldadura utilizados en lainvestigación, así como el calor aportado durante el proceso,no generan una influencia definida sobre los valores detenacidad del acero inoxidable Dúplex SAF 2205.

Revista Latinoamericana de Metalurgia y Materiales, Vol.23 N° 2.

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