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1. Introducción
Los aceros inoxidables son un gran grupo de aleaciones de Fe-Cr y Fe-Cr-Ni con presencia de otras aleaciones como Mo, C, Ti, Nb, Si o Mn, que entre sus campos de uso se encuentra la industria alimenticia, las mismas que deben cumplir especificaciones de soldadura de los metales reactivos. La soldadura correcta de estos materiales es una combinación de técnicas de soldadura y la creación de un entorno inerte [1].
En Ecuador existen varias industrias azucareras, por su gran producción de la caña de azúcar [2]; estas industrias deben garantizar buenas prácticas de manufactura (BPM) en la que interviene el uso de tuberías de acero inoxidable [3,4]. La gran mayoría de estas industrias usa tuberías de acero inoxidable AISI 304 en el transporte y procesado del producto alimenticio, las mismas que son adaptadas a los requerimientos de cada industria mediante procesos de soldadura que deben ser libre de elementos que pueden afectar la calidad del producto alimenticio, como son los óxidos de cromo y hierro presentes en un proceso inadecuado de soldadura [1].
En las tuberías de diámetro reducido (hasta 6 pulgadas) por lo general se realiza soldadura TIG (Tungsten inert gas) [5,6], la función principal del gas inerte utilizado en los procesos de soldadura es mantener la atmósfera protectora en la zona de fusión, para evitar la corrosión-oxidación inmediata de la zona soldada, mejorando su calidad y aspecto. La función del argón como gas de purga, dentro de las tuberías o canalizaciones a soldar, es desalojar al máximo la presencia de oxígeno atmosférico, creando un entorno inerte a la junta de soldadura [7-9].
En los estudios de la soldadura TIG de dos aceros inoxidables se toma en cuenta la evolución microestructural, así como de las propiedades mecánicas [6].
Los aceros inoxidables austeníticos por ejemplo el 304L tiene la tendencia marcada a la formación de óxidos sobre su superficie durante la soldadura. Estos óxidos cambian a diferentes colores, como amarillo, rojo o azul, dependiendo tanto de la concentración de oxígeno a la que están expuestos, como a la temperatura que alcanzan al ser calentados por la soldadura [10,11] .
La norma BPE: 2009 Tabla MJ-3, menciona que la decoloración presente en la superficie de la ZAC debe estar bien adherida de tal manera que las operaciones normales no las eliminen y en cualquier caso la ZAC no deberá tener adiciones de “sugaring” [12].
Taban E. y otros [13] reportan que las juntas soldadas sin algún tipo de purga revelan un área con capas de óxido de cromo que reduce la resistencia a la corrosión y que en las juntas soldadas con gas de purga, la profundidad de los tintes de calor se reducen y los colores son claros comparados con las soldaduras sin purga.
Una cámara inerte puede proteger la parte inferior de la soldadura y las superficies del metal base adyacente de la contaminación atmosférica [5,14,15]. Alba Obrutsky y otros realizaron la caracterización de discontinuidades reales en un tubo recto con costura de acero inoxidable AISI 304L, perteneciente a un condensador de vapor de una central termoeléctrica encontrando distintos tipos de defectos en las paredes internas del tubo, ubicados en los cordones de soldadura, atribuyendo así al proceso de fabricación del tubo y al uso deficiente o nulo de un proceso de purgado con gas de respaldo al efectuar la soldadura [16].
En este estudio se analiza como la presencia de oxígeno atmosférico en la cámara de purgado modifica el grado de calidad en la parte interna de la junta soldada de una tubería de acero inoxidable AISI 304. Se ha estudiado el nivel de decoloración de la soldadura, la presencia de defectos superficiales y la resistencia mecánica en la zona afectada por el calor (ZAC).
2. Materiales y métodos
2.1. Materiales
Tubería de acero inoxidable AISI 304 cédula 40 de 4 pulgadas de diámetro, varilla de aporte ER308L de 3/32 pulgadas de diámetro, electrodo de tungsteno WT20 punta roja de 3/32 pulgadas de diámetro, argón de alta pureza (99.998 %) con contenido de oxígeno < 2 ppm, cinta adhesiva de aluminio para alta temperatura, tubería de acero inoxidable “tubing” de 5/16 pulgadas de diámetro y espesor de 3/64 pulgadas, caucho de neopreno espesor de 9/16 pulgadas y malla de acero inoxidable de mesh 80.
2.2. Equipos
Soldadora Lincoln Invertec V350 PRO, antorcha TIG STAREX, flujómetros para argón VICTOR, medidor de oxígeno residual INTERPURGE 772, lámpara magnificadora RT 202, Microscopio óptico VAN GUARD y el Microscopio Electrónico de Barrido (SEM de sus siglas en inglés) TESCAN Vega3.
2.3. Métodos
2.3.1. Cámara de purga
Para el diseño de la cámara de purga se tomaron en cuenta los siguientes aspectos:
- La hermeticidad para evitar fugas de argón o el ingreso del oxígeno atmosférico desde el exterior,
- Permitir que el argón libere presión proveniente del envase evitando formar turbulencia y mezclas argón-oxígeno dentro de la cámara,
- Garantizar que la dosificación del argón se dirija a la zona de la junta de soldadura,
- Limitar el volumen de la cámara evitando gastos innecesarios en el consumo de argón y
- Permitir que el excedente de argón salga de la cámara.
En la Fig. 1 se presenta el diseño de la cámara de purga para la tubería de 4 pulgadas que será soldada. El ingreso y salida del argón en la cámara de purga se realiza con tramos de tubing insertados en los sellos (dos discos de caucho de neopreno), con un diámetro que permita conseguir el sellado entre la pared interna del tubo de 4 pulgadas. La difusión del argón a la cámara se da a baja velocidad para evitar turbulencia, esto se consigue con un difusor fabricado en malla de mesh 80, el mismo que debe quedar centrado en la junta de soldadura para que la distribución del argón tome contacto directo con esta zona (Fig. 1a).
La Fig. 1b, muestra la tubería ya lista para soldar con la cámara de purga diseñada. El aislamiento de la cámara de purga con el exterior se consigue envolviendo en su totalidad la junta de soldadura con cinta adhesiva de aluminio, dejando únicamente un orificio para insertar el sensor de oxígeno.
2.3.2. Medidor de oxígeno
El medidor de oxígeno residual INTERPURGE Modelo 772 (Fig. 2); se utilizó siguiendo el siguiente proceso: después de encenderlo se espera 90 segundos para precalentar el sensor; el manómetro del cilindro de argón debe estar cerrado antes de insertar el sensor en la cámara, una vez que el sensor está dentro de la cámara, se enciende la bomba y una luz piloto denominada “flow” deberá encenderse indicando que el flujo es correcto; el flujo de argón dentro de la cámara no debe exceder los 3.5 ft3/h (100 lts/h) para evitar la avería de la bomba, una vez que se permita el ingreso de argón a la cámara el instrumento se encuentra listo para reportar el valor de oxígeno residual.
Fuente: [17].
Figura 2 Medidor de oxígeno residual INTERPURGE Modelo 772. Vista frontal y posterior con los nombres de sus principales componentes.
2.3.3. Soldadura TIG
La soldadura TIG se realizó con una corriente de 89 A y con un flujo constante de argón de 10 ft3/h para la antorcha y 3.5 ft3/h para la cámara de purga, se inicia el monitoreo del oxígeno residual controlando la pantalla del Interpurge, para realizar la soldadura en cada caso de estudio (999, 500, 200, 100, 50, 25 y 10 ppm) de acuerdo al respectivo procedimiento WPS. Después de realizar la soldadura perimetral de las dos tuberías de acero AISI 304 en 4 pulgadas, se procede a la extracción de las probetas para los ensayos de doblado y de tracción que fueron realizados de acuerdo a las normas AWS B4.0:2007 [18] y AWS D18.1:1999 [11] respectivamente, la geometría para la extracción de las probetas se muestra en la Fig. 3.
Fuente: Los autores
Figura 3 Geometría para los ensayos de tracción con la fotografía de la probeta (superior), y geometría para ensayo de doblado con la fotografía de la probeta (inferior).
Los ensayos de tracción se han desarrollado con el equipo Tinius Olsen modelo Super L120, y de acuerdo a la norma ASTM A240 [LAEV-EPN] que indica una resistencia mínima a la tracción del material base AISI 304 de 75 ksi (515 MPa). Para los ensayos de doblado, la probeta anclada de un extremo debe ser envuelta en un rodillo o mandril, mientras se ejerce una fuerza en el otro extremo, hasta alcanzar la curvatura del rodillo y 180 grados de dobles. El diámetro del rodillo utilizado fue de 32.44 mm de acuerdo con la norma AWS B4.0:2007.
Los ensayos de doblado de cara y de raíz, del metal base y la zona afectada por el calor quedaron centrados en la zona de dobles como indica la norma AWS D18.1:199 [6].
3. Resultados y discusión
3.1. Decoloración de la ZAC
La variación del contenido de oxígeno atmosférico en la cámara de purga con argón muestra cómo, a medida que se reduce su cantidad va mejorando la calidad de la junta soldada; en los casos de estudio en descenso desde 999 a 10 ppm de oxígeno atmosférico, se puede observar que el nivel de decoloración (tinte de calor) en la ZAC decrece favorablemente y disminuye la defectología de la soldadura (Fig. 4).
Fuente: Los autores
Figura 4 Niveles de decoloración y presencia de imperfecciones de soldadura en la ZAC, según el contenido de oxígeno atmosférico en la cámara de purga. a)999 ppm, b)500 ppm, c)200 ppm, d)100 ppm, e)50 ppm, f)25 ppm, g)10 ppm.
La Fig. 4a, muestra la presencia de óxidos de aspecto negro y granulado, conocido como “sugaring”, además el nivel de coloración es alto, con tonalidades oscuras que van desde el centro del cordón hacia los extremos variando desde negro cercano al cordón de soldadura para pasar a colores marrón, azul, lila, rojo hasta alcanzar un color amarillo en el metal base. Para éste caso de estudio, no existió purga con argón, cuando tenemos 999 ppm de oxígeno en la cámara. Este caso es el patrón de comparación para los demás casos de estudio en los que el oxígeno atmosférico en la cámara de purga es controlado.
La Fig. 4b, evidencia una ZAC con un nivel de coloración todavía alto, como resultado del contenido de oxígeno atmosférico en la purga en 500 ppm, continúa la presencia de sugaring e imperfecciones tales como: falta de penetración e inclusiones; además desaparece el color negro y aparece una zona azulada.
En la Fig. 4c, el cordón de soldadura empieza a evidenciar un brillo característico del acero inoxidable, mostrándose más uniforme; el contenido de oxígeno atmosférico a 200 ppm ha permitido una reducción en el nivel de decoloración, los colores oscuros tienden a tomar un color claro, aunque en ciertas zonas existen capas con material removible.
En la Fig. 4d, con un contenido de oxígeno atmosférico en la purga de 100 ppm se observa que predomina el color azul, las capas grises sobre el cordón de soldadura son mínimas, el cordón resalta más su brillo y se nota una mejor fusión del material de aporte.
En la Fig. 4e, con un contenido de oxígeno atmosférico de 50 ppm en la purga, se observa las siguientes caracteristicas: en la decoloración que el color azul se distancia del centro del cordón de soldadura hacia los costados, no existe exceso de penetración, el cordón muestra su forma y brillo, y permaneciendo la presencia del color amarillo claro.
La Fig. 4f, muestra como han desaparecido los tintes de color amarillo/lila/azul oscuro, quedando zonas en color azul claro y amarillo pajizo, el brillo del cordón de soldadura es natural del acero inoxidable y la decoloración se muestra bien adherida a la superficie.
En la Fig. 4g, con un contenido de oxígeno atmosférico en la purga de 10 ppm, se observa delimitada la ZAC con colores claros, únicamente son visibles dos colores en tinte de calor, el azul claro y el amarillo pajizo, el cordón de soldadura se muestra completamente brillante y sin contaminación.
Con este análisis se determina que las Figs. 4f, 4g se sujetan a lo establecido en la norma AWS D18.1:1999 [11] en cuanto a la decoloración presente en la zona afectada por el calor. Adicionalmente no se evidencia la presencia de óxido, hierro libre o adiciones de “sugaring” en ningún caso concordando con lo establecido en la norma BPE: 2009 [12].
Las juntas soldadas sin algún tipo de purga comúnmente revelan un área con capas de óxido de cromo que reduce la resistencia a la corrosión, pero varios estudios han demostrado que en las juntas soldadas con gas de purga se reduce la defectología al controlar el oxígeno atmosférico en la cámara de purga para la realización del proceso de soldadura. Se evidencia que en las juntas soldadas con gas de purga, la profundidad de los tintes de calor se reduce y los colores son claros [10-13].
3.2. Resistencia a la tracción
La Fig. 5, muestra las probetas ensayadas en la máquina Tinius Olsen modelo Super L120, todas llevadas hasta la fractura. Se conoce que la resistencia a la tracción del metal base (AISI 304) es de 515 MPa (75 ksi) [19] y según el catálogo de consumibles AGA la resistencia a la tracción del metal de aporte (ER 308L) es de 552 MPa (80 ksi) [20].
Fuente: Los autores
Figura 5 Probetas fracturadas en el ensayo de tracción: a) 999 ppm, b)500 ppm, c)200 ppm, d)100 ppm, e)50 ppm, f)25 ppm, g)10 ppm.
En la Tabla 1, se muestra los valores promedio de la resistencia a la tracción en las probetas para cada caso de contenido de oxígeno atmosférico en la purga, notando que, para los casos de contenido de oxígeno atmosférico en 999, 500, 200 y 100 ppm, la fractura se presenta en el cordón de soldadura, mientras que para las probetas con contenido de oxígeno atmosférico en la purga de 50, 25 y 10 ppm, la falla se da en el metal base, alejada del cordón de soldadura.
Tabla 1 Valores de Resistencia a tracción en probetas a diferente contenido de oxígeno atmosférico en la cámara de purga.
Fuente: Los autores
Se atribuye la fractura de las probetas en el cordón de soldadura (Figs. 5 a-5d), debido a que durante el proceso de soldadura existen variables como: la falta de penetración, estabilidad del arco o concentración de temperatura en la ZAC, por el contenido de oxígeno atmosférico presente en la cámara, que impide que el argón actúe en la zona de fusión. Se observar que en las probetas 5e, 5f y 5g la rotura se produjo en el metal base, evidenciando que la soldadura resiste.
3.3. Resistencia al doblado
El análisis se realiza mediante ensayos y fotografías realizadas.
Las Figs. 6, 7, muestran las probetas para los casos de contenido de oxígeno atmosférico en la purga de 999 y 10 ppm respectivamente, en las que se realizó el doblado guiado de cara y de raíz.
Fuente: Los autores
Figura 6 Probeta con contenido de oxígeno atmosférico de 999ppm. a) Doblado guiado de cara, b) Doblado guiado de raíz.
Fuente: Los autores
Figura 7 Probeta con contenido de oxígeno atmosférico de 10ppm. a) Doblado guiado de cara, b) Doblado guiado de raíz.
Se ha determinado una buena resistencia al doblado en ambos casos. La presencia de imperfecciones como sugaring en la probeta con contenido de oxígeno de 999 ppm, no influye en la generación de grietas y aberturas durante el proceso de doblado.
3.4. Metalografía de la junta soldada
El análisis metalográfico se realizó a la probeta de soldadura con 200 ppm y 10 ppm contenido de oxígeno (Fig. 8), dado que han mostrado los mejores comportamientos a los ensayos mecánicos realizados. El ataque previo a la observación en el microscopio óptico se realizó con el reactivo Vilella para observar la microestructura de la junta soldada de acero inoxidable AISI 304 y metal de aporte ER308L.
Fuente: Los autores
Figura 8 Microestructura a 100X de probeta con contenido de oxígeno en la purga de 200ppm. a) Imagen con zona equiaxial y zona epitaxial del metal base en el límite de fusión, b) Imagen de la zona de solidificación del cordón de soldadura.
Las Figs. 9, 10 son muestras de soldadura observadas en el microscopio óptico para analizar la microestructura formada. En la Fig. 8a, (200 ppm de oxigeno atmosférico durante la soldadura), se evidencia dos zonas: la zona equiaxial que corresponde a los granos cuyo crecimiento ha sido igual en todas las direcciones y la zona epitaxial presenta una morfología de cristales sólidos del tipo dendrítico que tienen la forma parecida a un árbol, el tallo principal se llama brazo primario dendrítico y las ramas ortogonales se llaman brazos secundarios dendríticos. La Fig. 8b evidencia la estructura del metal base de tipo planar, y como se solidifica el cordón de soldadura de acuerdo con un gradiente de temperatura.
Fuente: Los autores
Figura 9 Microestructura a 100X, con contenido de oxígeno en la purga de 10ppm. En la interfaz sólido-líquido se evidencia dos tipos de morfología granular, dendrítica en el cordón de soldadura y planar en el metal base.
Fuente: Los autores
Figura 10 Imágenes SEM de la ZAC en la intercara de la soldadura. a) con contenido de oxígeno en la purga de 200ppm a 534X. b) con contenido de oxígeno en la purga de 10ppm a 441X y c) metal base para ambos casos a 3001X.
En la Fig. 9, (10 ppm de oxigeno atmosférico durante la soldadura) se observa algo similar a la microestructura a 200 ppm, en la interfaz de solidificación se observa la presencia de cristales sólidos de tipo dendrítico en la zona epitaxial del cordón de soldadura y una estructura granular del tipo planar en el metal base.
Para complementar el estudio se realizó un estudio morfológico con el microscopio electrónico de barrido (SEM), las observaciones se realizaron en alto vacío obteniendo imágenes con el detector de electrones retro-dispersos. Las imágenes SEM (Fig. 10) revelan con mayor detalle la formación del cordón de soldadura y el metal base comparables con reportes previos [14], evidenciando la formación de cristales sólidos del tipo dendrítico en la zona epitaxial del cordón de soldadura y una morfología planar en el metal base similares para ambas muestras caracterizada 200 ppm (Fig. 10a) y 10 ppm (Fig. 10b). La Fig. 10c, muestra el metal base AISI 304, que tiene un crecimiento de granos de forma equiaxial.
Figura 10. Imágenes SEM de la ZAC en la intercara de la soldadura. a) con contenido de oxígeno en la purga de 200ppm a 534X. b) con contenido de oxígeno en la purga de 10ppm a 441X y c) metal base para ambos casos a 3001X.
4. Conclusiones
Con este estudio se ha determinado que se obtiene un nivel de decoloración bueno cuando el oxígeno atmosférico es menor a 50 ppm, obteniendo el nivel adecuado cuando el contenido de oxígeno atmosférico es de 10 ppm. Además la rotura de las probetas se da en el cordón de soldadura cuando el contenido de oxígeno atmosférico es mayor a 100 ppm, a diferencia que cuando es menor a 100 ppm la rotura por tracción será en el metal base.
Los ensayos de resistencia muestran que la rotura se da en el metal base para soldaduras con presencia de oxigeno de 50 ppm, 25 ppm y 10 ppm; mientras que en el resto se rompe en el cordón de soldadura. Los análisis morfológicos han permitido corroborar que la junta soldada con tan solo 10 ppm de oxigeno atmosférico en la purga con argón evita la rotura en el cordón de soldadura, lo que brinda tener mejor resistencia mecánica de los aceros AISI 304 para usos en la industria alimenticia.
