El efecto de polvo de hierro en electrodos completamente posicionales bajos en hidrógeno Se ha examinado el papel del polvo de hierro en los revestimientos de electrodos básicos bajos en hidrógeno repitiendo experimentos descritos en la literatura [1]. No pudo reproducirse un efecto especialmente marcado sobre la tenacidad de la ranura y se concluyó que la base de escoria, en sí, tiene mayor importancia que la limitación del polvo de hierro en el revestimiento. La comparación de los consumibles comercialmente comercialmente disponibles reveló que resultaba superior un electrodo de tipo E7018 OERLIKON, con respecto a la tenacidad de la ranura, que los electrodos de tipo E7016 competitivos presentemente disponibles
1.- INTRODUCCIÓN En 1978, Boniszewski presentó un documento [1] en la Conferencia Internacional Internacional del Instituto de Soldadura, en Londres, y propuso que se restringiera el contenido del polvo de hierro de electrodos básicos bajos en hidrógeno. Los motivos facilitados fueron que la tenacidad de la ranura del metal de aportación se deteriora y que las indicaciones ultrasónicas ultrasónicas "pequeñas" se volvieron cada vez más numerosas a medida que aumentaba el contenido de polvo de hierro. El mismo tema se ha repetido en otras reuniones [2, 3] y una serie de artículos publicados por el Instituto de Metalurgos [4, 5, 6]. Una consecuencia de estas publicaciones ha sido que se hayan lanzado al mercado una serie de electrodos competitivos de tipo E7016 con el objeto de cumplir los estrictos requisitos de la industria de las plataformas petrolíferas. petrolíferas. Las curvas Charpy-V originales publicadas por Boniszewski [1] se reproducen reproducen en la Figura 1 y las temperaturas de ensayo correspondientes a un valor arbitrario de energía absorbida de 100 J aparecen trazadas en la Figura 2. Los últimos resultados indican un desplazamiento desplazamiento lateral de +28ºC para electrodos de 4 mm de diámetro y 12ºC para electrodos de 6 mm de diámetro, al incrementar el contenido de polvo de hierro de las cubiertas de 5 a 35%. Aunque existía una clara tendencia de la tenacidad a deteriorarse, ninguna explicación estaba próxima a explicar la diferencia en la respuesta de los dos electrodos de diferente diámetro. Asimismo, no se explicó la anomalía de obtener mejores propiedades de impacto con electrodos de 6 mm de diámetro que con 4 mm.
(Fig. 1 Efecto del polvo de hierro sobre las curvas de t ransición Charpy-V (de la Ref. 1))
(Fig. 2 Efecto del polvo de hierro en la temperatura de ensayo para 100 J (derivado de Fig. 1)) A la vista de la incertidumbre que ha surgido con relación al papel del polvo de hierro , se consideró conveniente repetir los experimentos descritos por Boniszewski [1], utilizando las formulaciones reales facilitadas. Además, se aceptó la oportunidad de hacer una comparación entre un electrodo moderno comercialmente disponible E7018 y tres electrodos competidores de tipo E7016 actualmente ofrecidos en el sector de las plataformas petrolíferas.
2.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL 2.1. Electrodos En conformidad con los datos de producción presentados por Boniszewski, se prepararon electrodos experimentales básicos bajos en hidrógeno, que contienen cuatro contenidos nominales de polvo de hierro, es decir, 5,15,25 y 35%. La composición química de la varilla central empleada fue la siguiente: C
-
Si -
Mn -
P
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S
0,07 - restos - 0,57 - 0,007% - 0,008 El consumible comercial estudiado E7018 fue el electrodo OERLIKIN TENACITO R. Se solicitaron a los distribuidores los productos competidores, diseñado por los fabricantes como tipos E 7016; el diámetro de la varilla central de todos los electrodos estudiado era 4 mm. 2.2. Preparación de la soldadura Se prepararon montajes de prueba de metales totalmente soldados de la misma manera que la descrita por Boniszewski [1], utilizando los electrodos experimentales en Corriente Alterna y depositando 2 pasadas por capa (2 k j /mm). Se prepararon placas de prueba adicionales con los electrodos experimentales, utilizando polaridad positiva de electrodo de Corriente continua y depositando 3 pasadas por capa (1kj/ mm), tal y como se ha descrito antes [7]. Se compararon los cuatro electrodos comerciales utilizando el último procedimiento, dado que se pensó que era más ventajoso para ubicar la ranura Charpy-V en el centro de los tres cordones en lugar de las regiones completamente recristalizadas al emplear una técnica de movimiento pendular limitada. 2.3 Ensayo mecánico Se mecanizaron y probaron dos muestras (Minitrac) de tracción de metal completamente soldadas de tamaño inferior para cada electrodo y estado de ensayo. Asimismo, se hicieron 35 muestras de ranuras en V Charpy en cada caso, para obtener curvas de transición completas. A las muestras de tracción se les dio un tratamiento de eliminación de hidrógeno a 250ºC durante 14 horas, mientras que se probaron las muestras de impacto en la condición de soldadura.
3.- RESULTADOS EXPERIMENTALES 3.1. Composición química Los análisis del metal de aportación obtenidos para los cuatro electrodos experimentales depositados a 2 kj/mm se facilitan en la Tabla 1a. Los resultados difieren ligeramente de los citados por Boniszewski [1], siendo más bajos los contenidos de manganeso y silicio. Además, se obtuvieron niveles más bajos de azufre y fósforo, debido, presumiblemente, a la utilización de materias primas más puras. El contenido de oxígeno se incrementó con el incremento de polvo de hierro en el revestimiento, tal y como se había previsto [1], pero el cambio global fue menor del esperado. Además, los contenidos de nitrógeno fueron más altos que los valores publicados.
Los resultados equivalentes para los electrodos experimentales depositados a 1 kj/mm se facilitan en la Tabla 1b. En este caso, se registraron contenidos de carbono más bajos en conjunción con contenidos de manganeso y silicio ligeramente más altos.
Los análisis de metal de aportación para los electrodos comerciales depositados en 1 kj/mm se enumeran en la Tabla 1c.
3.2. Propiedades mecánicas 3.2.1 Resultados de tracción Los datos del ensayo de tracción para los depósitos colocados con electrodos experimentales se facilitan en las Tablas 1a y 1b. Boniszewski [1] no citó ningún dato comparativo pero se aprecia que, aparte de UF.35, los límites elásticos y de carga de rotura son insensibles al contenido de polvo de hierro del revestimiento. Sin embargo, bastante sorprendentemente, dos conjuntos de datos son prácticamente idénticos. Trabajos anteriores [8], de este autor, revelaron las diferencias de tracción entre secuencias de dos y tres cordones/capa y, tan solo, puede suponerse que el cambio a corriente alterna, para la condición de movimiento pendular limitado, ha obviado las diferencias debido a la entrada de calor. Las propiedades de tracción para los electrodos comerciales (Tabla 1c) se encuentran en la misma clase general y están proporcionados a los niveles de carbono, manganeso y silicio de los depósitos. 3.2.2 Resultados de impacto Las curvas de transición Charpy-V obtenidas para los electrodos experimentales de los dos extremos de polvo de hierro aparecen presentadas en la Fig. 3 para la situación 2 cordones/capa y en la Fig.4 para la de 3 cordones/capa. Se observa que las bandas de dispersión siguen la misma tendencia general, siendo del tipo de caída rápida y mostrando un fallo bimodal completo a –40ºC.
(Fig. 3 Curvas Charpy-V para secuencia de dos cordones / capa (contenido de polvo de 5 y 35% Fe).)
(Fig. 4 Curvas Charpy-V medias para diferentes contenidos de polvo de hierro (secuencias de dos o tres cordones/capa).) Las curvas medias para las dos situaciones se presentan en la Figura 5 y revelan que el tablero superior disminuyó ligeramente con el incremento de polvo de hierro. El alcance del desplazamiento lateral en el nivel de 100 J aparece trazado en la Figura 6. Para 2 cordones/capa, el desplazamiento fue de +6ºC, un valor que es mínimo en comparación con el desplazamiento de +28ºC comunicado por Boniszewski [1]. Por otro lado, para 3 cordones/capa, se encontró un efecto mayor, siendo el desplazamiento al incrementar el polvo de hierro del 5 al 35%, de +12ºC.
(Fig. 5 Curvas promedio Charpy-V para diferentes contenidos de polvo de hierro).
(Fig. 6 Efecto del polvo de hierro en la temperatura Charpy-V correspondiente a 100 J (secuencia de dos o tres cordones/capa)) Las curvas de impacto Charpy-V para depósitos soldados con los cuatro electrodos comerciales aparecen trazados en la Fig. 7. Los dos primeros electrodos del tipo E 7016 mostraron bandas de dispersión más anchas y cambios abruptos por encima de la gama de transición. La extensión de la dispersión fue menor para el tercer tipo E 7016 pero, aún así, se aprecia que las características no fueron tan favorables como las mostradas por el electrodo E 7018 de OERLIKON.
(Fig. 7 Curvas de transición Charpy-V para cuatro electrodos comerciales.)
4.- CONSIDERACIONES PARA DISCUSIÓN Los resultados de la presente investigación confirman que la adición de polvo de hierro a los revestimientos de electrodos básicos bajos en hidrógeno afecta perjudicialmente a las propiedades de impacto de los depósitos. Sin embargo, el alcance de la deterioración fue significativamente menor que el indicado por Boniszewski [1] para la gama experimental entre 5 y 35% Fe. A un nivel de energía absorbida arbitrario, se encontró que el desplazamiento lateral era +6ºC, en comparación con el valor publicado de +28ºC.Tal y como estableció Boniszewski [1], un incremento en el contenido del polvo de hierro incrementa el nivel de oxígeno en el depósito y afecta al grado de recristalización. Las características de funcionamiento del "enfriador" de los electrodos de tipo E 7018 ocasionan zonas recalentadas más estrechas y mayor retención de metal de aportación columnar en el grueso de los depósitos. Para una situación de dos cordones por capa, donde se produce la recristalización completa de la ubicación de ranura Charpy-V, la principal influencia de polvo de hierro es el alcance de la superposición, que produce un cambio en las proporciones relativas de las estructuras de grano fino y grueso. Por tanto, se esperaría un efecto marginal sobre las propiedades de impacto. Para una secuencia de tres cordones por capa, en la que se retienen mayores cantidades de metal de aportación columnar con el incremento de polvo de hierro, se esperaría un efecto más pronunciado. Este fue, de hecho, el caso, siendo el desplazamiento lateral para la situación de cordón tensor (1 kj/mm) +12ºC por encima de la gama de 5 a 35% Fe.Anteriores trabajos del mismo autor han mostrado que el grado de recristalización alcanzado utilizando electrodos de polvo de hierro depende de la temperatura de paso intermedio [9] y el diámetro del electrodo. En la Fig. 8 se muestra un modelo idealizado que ilustra la influencia de estos dos parámetros. Puede apreciarse que puede obtenerse un alto grado de recristalización mediante el uso de una alta temperatura de paso intermedio en conjunción con electrodos de pequeño calibre. Dado que las propiedades de impacto siguen la misma tendencia que la extensión de la recristalización, puede argüirse que un incremento en la eficacia nominal, es decir, la recuperación, es equivalente a aumentar el diámetro. No pudo reproducirse el desplazamiento lateral de +28 ºC comunicado por Boniszewski [1]. En consecuencia, debe aceptarse que la importancia de reducir las adiciones de polvo de hierro del 25 al 15%, por ejemplo, se ha enfatizado en exceso.
(Fig.8 Representación diagramática del efecto de la temperatura de paso intermedio y del diámetro del electrodo sobre el grado de recristalización (secuencia de tres cordones / capa)) El objetivo especificado de la investigación inicial [1] era incrementar sistemáticamente el polvo de hierro en los revestimientos, manteniendo, subsiguientemente, los parámetros de proceso constantes. Aunque loable desde un punto de vista científico, la idea omite el tener en cuenta que, en la práctica, los electrodos del tipo E7016 y E7018 están diseñados para diferentes bases de escoria. Para demostrar su visión, se omitieron dos materiales primos específicos de las formulaciones publicadas [1]. Las curvas de impacto Charpy-V para electrodos originales y modificados, en el nivel de 25% Fe, se indican en la Figura 9. La omisión de los dos constituyentes originó un desplazamiento lateral de –12ºC, un valor que es el doble del obtenido en la dirección inversa mediante la adición de polvo de hierro por toda la gama experimental. Sin embargo, a pesar de la modificación del electrodo que contenía 5% de polvo de hierro en el revestimiento, no se encontraron cambios esenciales.
(Fig. 9 Resultados de Charpy-V para un electrodo estándar y modificado (25% Fe en revestimiento)) La comparación de los cuatro electrodos comerciales reveló que el TENACITO R, de tipo E 7018, era superior en tenacidad de ranura a los tres tipos E7016 competidores. Por tanto, se demostró que, independientemente del superior nivel de oxígeno del metal de aportación y de una diferencia en el grado de recristalización, pueden alcanzarse excelentes propiedades por medio del control microestructural. Para el sistema ordinario de C-Mn, se ha indicado anteriormente para electrodos de polvo de hierro que la tenacidad óptima se obtiene, aproximadamente, con 1,5% Mn y un contenido intermedio de carbono [11]. Según Taylor [3], también se requiere un alto contenido de manganeso (1,7%) para optimizar electrodos de tipo E7016. El punto final que debe considerarse es el aspecto de indicaciones de ultrasonidos "falsas", que operarios que examinaron las soldaduras realizadas con electrodos de polvo de hierro comunicaron [1] que se producían con mayor frecuencia. Para abordar esta cuestión, se examinaron una serie de macrosecciones bajo contrato en el Instituto de Soldadura (G.B.) en un intento por valorar el efecto de la microestructura sobre el nivel de ruido. Se eligieron las muestras no solamente para investigar el efecto del polvo de hierro, sino también la temperatura de paso intermedio, el diámetro de electrodo y tratamiento de normalización. A partir de los resultados experimentales [12], no se observó correlación entre los niveles de atenuación y los parámetros macro o microestructurales. Además, no se observó ninguna tendencia que sugiriera que las soldaduras realizadas con polvo de hierro que contenían consumibles muestren un grado inherentemente más alto de dispersión trasera. Por tanto, las indicaciones de ultrasonidos, como de hecho concluyó Boniszewski [1], son defectos reales y, evidentemente, dependen del diseño de los electrodos y de la destreza del soldador. Se acepta que puedan producirse deshomogeneidades al soldar tuberías de conducción con electrodos celulósicos [13]. Sin embargo, a diferencia de esto, no deberían encontrarse problemas con electrodos bajos en hidrógeno correctamente diseñados que operen dentro de la gama de amperaje recomendada. Contrario a la afirmación realizada por Boniszewski [1], no puede aceptarse que el contenido de polvo de hierro de la cubierta pueda restringirse, de manera útil, hasta 15% para aplicaciones de alta integridad. Tradicionalmente, se han utilizado electrodos de polvo de hierro para cubrir situaciones en secciones de placa gruesa y resulta claramente retrógrado arriesgar la productividad en virtud del mantenimiento de la tenacidad de la ranura. Se han obtenido excelentes propiedades COD [14], a –10ºC con TENACITO R y se dio libertad para índices de deposición más altos al volver hacia mayores diámetros de electrodos siempre que resultó conveniente. Dadas las características típicas, los electrodos E 7016 se utilizan, generalmente para soldar la pasada de raíz. Con el proceso único de doble revestimiento de OERLIKON, sin embargo, incluso esta aplicación puede realizarse con éxito con tipos E 7018.
5.- CONCLUSIONES •
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La tenacidad obtenida con el incremento del polvo de hierro en los revestimientos de electrodos básicos fue mucho menor que la comunicada en la literatura [1]. El grado de deterioración se compensó más por una modificación a la base de escoria. Los electrodos comerciales ordinarios de tipo E7018 pueden presentar características de impacto superiores que los consumibles de tipo E 7016. Las indicaciones de ultrasonidos no están influenciadas por el tamaño de grano o el contenido de la inclusión de depósitos del tipo E7016 y E7018. No existe una finalidad útil en restringir el contenido de polvo de hierro de los electrodos hasta el 15%.
Referencias: [1] : Boniszewski, T.: The effect of iron powder in basic low hydrogen all-positional electrodes. International Converence - Trends in steels and consumables for welding. The Welding Institute, London, 13-16 Nov. 1978, Paper 15; también Doc.II-A-468-78. [2] : Boniszewski, T., Schulten, D. y Taylor, D.S.: Eigenschaften niedriglegierter Stabelelektroden zum Schweissen von meerestechnischen Konstruktionen. DVS-Tagung in Hamburg, 3-5, October 1979. [3] : Taylor,D.S.: The effect of manganese on the toughness of E7016 type weld metal. Doc. II A-523-81. WeldMetal Fab., Sept. 1982. [4] : Boniszewski, T.: Manual metal arc welding - Part 1. The Metallurgist and Material Technologist 11 (1979) Nº 10, pp.567-74 [5] : Boniszewski, T.: Ibid. - Part 2. Ibid. 11 (1979) Nº 11, pp. 640-43. [6] : Boniszewski, T.: Ibid. - Part 3. Ibid. 11 (1979) Nº 12, pp. 697-705. [7] : Evans, G.M.: Effect of manganese on the microstructure and properties of all-weld-metal deposits. Oerlikon-Schweissmitt. 36 (1978) Nº 82, S.4-19, también Doc. II-A-432-77. [8] : Evans, G.M.: Effect of heat-input on the microstructure and properties of all-weld-metal deposits. Oerlikon-Schweissmitt. 38 (1980) Nº 92, S.20-35, también Doc. II-A-490-79. [9] : Evans, G.M.: Effect of interpass temperature on the microstructure and properties of allweld-metal deposits. Oerlikon-Schweissmitt. 37 (1979) Nº 87, S.17-31, también Doc. II-A-46078. [10] : Evans, G.M.: Effect of electrode diameter on the microstructure and properties of all-weldmetal deposits. Oerlikon-Schweissmitt. 38 (1980) Nº 90, pp..4-17, también Doc. II -A-469-79 [11] : Evans, G.M.: Effect of carbon on the microstructure and properties of C-Mn all-weld-metal deposits. Oerlikon-Schweissmitt. 40 (1982) Nº 99, S.17-31, también Doc. II-A-546-81. [12] : Mudge, P.J.: Assessment of ultrasonic indications from MMA welds made from iron powder containing electrodes. Welding Institute Report LD 22732, Feb. 1982 [13] : Gouch, A.J., Muir, H.: Segregation of alloying elements in MMA pipeline wlds. Metal Construction 13 (1981) Nº 3, pp. 150-58. [14] : Kamath, M.S.: An evaluation of four MMA consumables on the basis of the COD test. Welding Institute Report LD 22414, October 1979.
-------------------------------------------------------------------------El Dr. G. M. Evans era el Responsable de Metalurgia del Departamento de Investigación de la empresa Welding Industries Oerlikon Bührle Ltd., Zurich (Suiza). en el momento de la elaboración de este informe.
