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

INFLUENCIA DE LA SOLDADURA GMAW SOBRE LA RESISTENCIAAL IMPACTO DEL ACERO INOXIDABLE DPLEX SAF 2205

M. C. Payares y M. Dorta-Almenara*

Departamento de Mecnica, Universidad Simn Bolvar. Caracas. Venezuela*midorta@usb.ve

Resumen

El estudio de las propiedades mecnicas en las soldaduras de los aceros inoxidables dplex, bajo la influencia de lasvariables intensidad de corriente, voltaje y velocidad de soldadura, ha tomado gran importancia a raz de la crecienteaplicabilidad de los mismos en diferentes industrias, en especial en la petroqumica. 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 criognicos. Los ensayos fueron diseados utilizando el proceso de soldadura a tope por arco elctricoGMAW, con una fuente de poder constante y usando corriente directa y polaridad reversa. Se utiliz una placa de aceroinoxidable dplex 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 Argn comercial puro como gas de proteccin. Los ensayos de impacto de las unionessoldadas no mostraron variaciones significativas en la energa absorbida, que evidencien un cambio en el tipo de fractura delmaterial en funcin de los parmetros de soldadura, para temperaturas de ensayo de - 40C y 22C. Para este acero y con lasvariables de soldadura seleccionadas, se pudo observar que no ocurre transicin dctil-frgil y la disminucin de la tenacidades poco significativa.

Palabras Clave: GMAW, Dplex, 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 (-40C to 22C) 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. Introduccin

Dentro de las distintas gamas de los aceros inoxidablesencontramos los Dplex, los cuales estnmicroestructuralmente conformados por una combinacinferrita - austenita, cuya aplicabilidad ha venido creciendovertiginosamente en los ltimos aos en las diferentes in-dustrias. Las aleaciones Dplex tambin pueden ser defi-nidas como un acero que presenta una estructura de dosfases con cantidades significativas. En otras palabras eltrmino acero inoxidable Dplex representar la aleacin

Fe-Cr-Ni formado con un 30 a un 70% ferrtico, para lainvestigacin en especfico, el indicativo 2205 resulta de lacomposicin de 22% Cromo y 5% Nquel. El inters tcni-co en estas aleaciones por encima de la serie 300 de acerosinoxidables austenticos, es debido a su gran resistencia ala corrosin bajo tensin y por picaduras, adems que elesfuerzo de fluencia es dos veces mayor que el de las alea-ciones anteriormente mencionadas. Estas aleaciones Dplexcombinan algunas de las ventajas de los aceros ferrticos yaustenticos, pero tambin 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 rpidos ciclosde enfriamientos inherentes al proceso; afectando las pro-piedades mecnicas 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 parmetrosde soldadura sobre la penetracin, sin embargo estosparmetros 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 lageometra, las propiedades mecnicas, localizacin de lazona de falla y la microestructura de las soldaduras del ace-ro inoxidable dplex SAF 2205. Por ello se hace necesarioestablecer como influyen sobre las propiedades mecnicasy la microestructura del metal soldado, es decir, en la cali-dad de la soldadura, para as establecer y fijar los parmetrosadecuados y ptimos de la misma.

Existen un sin nmero de investigaciones realizadas enaceros inoxidables dplex principalmente en las reas decorrosin, microestructura y propiedades mecnicas en s,tales como las de Yasuda et.al. (1986), Gunn (1999), Jun(1999). Sridhar et. al. (1984) siendo un tanto ms especficoen cuanto a las soldaduras investiga el efecto de losparmetros sobre la corrosin localizada.

Barnhouse y Lippold (1994) evalan el efecto de lamicroestructura del metal soldado sobre la dureza y la re-sistencia a la corrosin por picaduras de soldaduras dismilesentre un acero dplex 2205 v uno estructural A36. Karisson(2001) relaciona las precipi: aciones de fases intermetlicasdurante las soldaduras (!e aceros inoxidables dplex duran-te las soldaduras con las propiedades mecnicas.

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

El enfoque de esta investigacin es establecer el efectoen las propiedades mecnicas de las soldaduras de aceroinoxidable dplex SAF 2205 con la variacin en losparmetros de soldadura, el cual ser estudiado y analizadoespecficamente en trminos de los cambios producidossobre la tenacidad o resistencia al impacto del metal soldado.

2. Procedimiento Experimental

El diseo de los ensayos se efectu de manera tal depoder garantizar la correcta representacin y evaluacin dela influencia de los parmetros 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 realizacin de los cordones de soldadura se utiliz unequipo para soldaduras automticas 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 Argn COJ1l0 gas protec-tor

Como material base se utiliz acero inoxidable dplexSAF 2205, marca Sandvick de 21Ox125x6.35. El materialde aporte seleccionado fue un alambre - electrodo GMAWE-ER 2209, marca Sandvik, tipo 22.8.3.L de 1 mm. dedimetro recomendado por la AWS 5.4-92 y cuyacomposicin qumica, as como la del metal base, se muestraen la tabla 1.

Tabla 1. Composicin qumica del acero inoxidable dplex 2205y del electrodo ER 2209. (% peso/peso):..

Elemento ~AF2205 ER-2209e 0.02 0.03Si 1.00 0.61Mn 2.00 1.11

P 0.045 0.023S 0.030 0.006Cr 22.00 22.8Ni 5.5 9.1Mo s.oo 2.99N o..r 0.12

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Para la seleccin de los parmetros de soldadura a serutilizados en la investigacin 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 catlogo. En la tabla 2 se detallanlos parmetros empleados.

Tabla 2. Parmetros 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 0,16e 208 26,5 500 0,66D 253 23,5 500 0'1

E 253 28,5 2SS l,S

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 1,09L 208 26,.5 350 0,94-

.- - ---la'( 253 26,5 258 1,56

N 253 21,5 350 1,19o 2.53 28,5 290 1,49P 253 30 350 1,30Q 253 28,5 300 1,44-R 2.53 30,.5 500 0,93S 210 21 500 O,s'lT 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 condicin establecida se procedi aseccionar las pletinas y as obtener el material necesariopara fabricar el nmero de probetas correspondientes a losensayos de impacto y ensayos de traccin. Se mecaniz en

. .una fresadora una entalla a 45 sobre la direccin y readonde se encontraba el cordn. Para fabricar las probetasde impacto se busc seguir la norma ASTM para pruebasde tenacidad de fractura, en especfico para el mtodoCharpy con entalle en V, lo cual no fue posible ya queninguna de las variantes de la norma concord con ladisposicin del cordn y geometra de las lminas soldadas,por lo que se decidi establecer ciertas dimensiones que se

aproximaran lo ms posible a las normalizadas, ver figura2, de las que se puede obtener un anlisis comparativo de laresistencia. Se emple el pndulo de impacto, marca Ottocon apreciacin de 0.1 kPm (13.825 J) y energa de pndulode 15 kPm (2073.8 J). Con la finalidad de determinar laexistencia de transicin dctil-frgil 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 energaque un material puede absorber antes de fracturarse y seconvierte en un dato realmente importante para la ingenie-ra cuando es considerada como la capacidad de un mate-rial para resistirse al impacto sin ser fracturado. Los resul-tados de esta investigacin 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 dplex SAF2205, a 22C y - 40C, son mostrados a continuacin en latabla 3.

Al realizar el anlisis 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 inspeccin visual de las super-ficies fracturadas, las cuales son caractersticas de unafractura de tipo dctil, tal como el metal base. La aparienciadel espcimen fracturado se puede correlacionar con laenerga absorbida, siendo caracterstica de fracturas dctilesy tenaces las superficies suaves y finas con evidencia dedeformacin plstica, tal como lo mostraron las probetasensayadas. En estudios posteriores se analizarn en detallelas caractersticas 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 energa absorbida durante elimpacto de las probetas soldadas ensayadas, a 22C de latabla 3, se puede notar que la influencia del proceso desoldadura sobre el material base no produce unafragilizacin significativa del material bajo ninguna de lasveinte combinaciones de parmetros sometidas al ensayo,aunque si genera cadas en los valores de energa para las

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

Tabla 3. Valores de energa 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 energa no cae a valores losuficientemente pequeos para indicar un cambio dctil -frgil generado por la soldadura en el acero inoxidabledplex. 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 transicin Dctil - Frgil.

Al realizar los ensayos para el material base, se observaque no existe una transicin en el modo de fractura dentrodel rango de temperatura escogido entre 22C y -40 -cpara el acero inoxidable dplex SAF 2205. Los aceros conbajo contenido de carbono tienen un rango de transicin atemperaturas ms bajas, y a su vez ms 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 transicin se encuentraen valores mucho menores que los empleados.

Al analizar y comparar los valores de energa de impac-to de las probetas soldadas bajo iguales condiciones y ensa-yadas a 22C 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 disminucin de ener-ga absorbida mostrada por las probetas a -40 c no es losuficientemente representativa para manifestar una transi-cin en el modo de fractura del material.

Dentro del anlisis de los ensayos de impacto se intentrelacionar los parmetros de soldadura con los valores deenerga registrados. Con este fin se grafic cada uno deellos frente a los resultados del ensayo, en busca de algunaposible tendencia, lo cual no arroj ningn resultado signi-ficativo o del cual se pudiera realizar algn tipo de conclu-sin. Igualmente se realiz un anlisis utilizando un pro-grama estadstico, intentando detectar alguna relacin en-tre los valores de los parmetros de soldadura y los de ener-ga. 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 an-lisis de los resultados de los ensayos de impacto no mues-tran ninguna relacin que se pueda considerar entre losparmetros de soldadura y los valores y variaciones de laenerga.

4. Conclusiones.

El acero inoxidable Dplex SAF 2205 en estado deentrega no present transicin de dctil a frgil en el rangode temperatura seleccionado, entre 22C y -40C,mantenindose los valores de energa casi invariables entreambas temperaturas, lo cual es caracterstico de aceros demuy bajo contenido de carbono.

El proceso de soldadura en el acero inoxidable DplexSAF 2205 bajo el rango de parmetros estudiados, originavariaciones en los valores de tenacidad con respecto almaterial original, que no se consideran significativos encuanto a la transicin de fractura dctil a frgil en ningunade las dos temperaturas estudiadas (22C y -4CC). A suvez, el acero inoxidable Dplex SAF 2205 soldado bajo elrango de parmetros estudiados origina variaciones entrelos valores de tenacidad a temperatura ambiente (22C) ylos valores de tenacidad a-40C, los cuales no se consideransignificativos para la determinacin de una fragilizacin.

Los parmetros de soldadura utilizados en lainvestigacin, as como el calor aportado durante el proceso,no generan una influencia definida sobre los valores detenacidad del acero inoxidable Dplex SAF 2205.

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

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