Hilos tubulares de acero inoxidable para soldadura

Autores:

Noelia García: con más de 15 años de experiencia en soldadura, inicialmente su área principal de conocimiento fue el mundo de los equipos de soldadura. En los últimos años su interés ha evolucionado hacia el campo del consumible para unión a raíz de su incorporación a Böhler Welding en 2008.

Pere Basco: Ingeniero de Soldadura. Después de pasar por varios departamentos y funciones dentro del grupo Böhler Welding, es ahora el especialista en aleaciones base níquel y consumibles para reparación y mantenimiento.

José María Miguel: Doctor en Metalurgia. Durante sus más de 15 años de experiencia ha estado involucrado en proyectos de mejora de materiales y procesos a nivel internacional. Compagina su trabajo en la industria con el de profesor universitario.

Los hilos tubulares son ampliamente utilizados en procesos de soldadura por su seguridad en la utilización, alta velocidad de soldeo y calidad de la unión, entre otras características. Existe una marcada tendencia de aumento en el consumo de este tipo de consumibles a nivel mundial, y en la última década, se ha casi duplicado su volumen de utilización. Entre el amplio abanico de composiciones que pueden presentar este tipo de consumibles, los aceros inoxidables cuentan con una posición privilegiada y cada vez son más cuantiosas las empresas que utilizan estos hilos.

En el proceso de soldeo por arco con electrodo tubular la soldadura se consigue con el calor de un arco eléctrico establecido entre un alambre continuo y la pieza que se suelda. El interior del hilo tiene un fundente formado generalmente por elementos generadores de escoria, desoxidantes, estabilizantes del arco y elementos de aleación.

Este proceso se desarrolló en la década de 1950 y su evolución conlleva, a grandes rasgos, tres etapas. En la primera se desarrollaron hilos de gran diámetro (como 3,2 milímetros) principalmente utilizados para recargue con una limitación clara de soldabilidad. En una segunda etapa, la aplicación se expandió fuertemente (finales de la década de 1970) con el desarrollo de hilos de pequeño diámetro (1,2 milímetros). Estos hilos contribuyeron a una reducción clara de los costes de soldadura aplicándose extensamente en el sector naval. En la tercera fase, a mediados de los años 1980, se desarrollaron los primeros hilos tubular metal cored [Ref.1].

La demanda mundial de este tipo de consumible es muy variable dependiendo de la región. Datos recientes muestran que en la comunidad europea el porcentaje de utilización de hilos tubulares es de alrededor del 10%, en Rusia 2%, Corea 39%, Japón 46%, USA 21%. El tipo de industria de cada región es un factor clave en el porcentaje de utilización de este tipo de consumible. De esta manera la industria naval, off-shore y construcción civil concentra gran parte de estos consumos.

Existen dos variantes del proceso, dependido del método de protección del hilo tubular:

1. Autoprotegido, en el que el fundente protege el baño de fusión gracias a su descomposición y vaporación. Estos hilos tienen en el fundente un elevado contenido de elementos desoxidantes y denitrificantes, como por ejemplo, aluminio y titanio.
2. Con protección gaseosa, en el que un gas adicional protege el baño de fusión, aunque también existe el efecto adicional de la protección del fundente.

Por otro lado, según el papel del material de relleno, se puede dividir el proceso en dos tipos:

• Hilos tubulares con relleno metálico, donde el material de relleno se deposita durante el proceso de soldeo. Los elementos internos del hilo (silicio, manganeso, níquel, molibdeno, cromo, hierro, etc.) ayudarán a originar la aleación deseada en el metal depositado a la vez que otros elementos tales como compuestos con sodio y potasio proporcionarán una estabilización del arco. Se puede obtener de esta manera composiciones del metal depositado mucho más diversificadas (para diferentes aplicaciones concretas) variando los elementos de aleación del relleno metálico.
• Hilos tubulares con formación de escoria, en los que se formará escoria que ayuda a proteger al metal fundido una vez depositado y durante su enfriamiento, protege el arco y proporciona un apoyo para mantener o soportar el material fundido sobretodo en soldaduras del tipo vertical ascendente, originando un incremento de la velocidad de soldadura [Ref. 2].

Mediante estos procesos de soldeo (soldadura mediante hilo tubular) es posible depositar aceros de baja aleación, aceros de alta resistencia, aceros inoxidables, aleaciones base níquel, etc. Böhler y Avesta son fabricantes de este tipo de consumibles en su centro de producción de Austria, situado en la localidad de Kapfenberg.

El acero inoxidable juega un papel importante en nuestra época, aun cuando la cantidad producida representa solamente un 2% del total de acero fabricado. En 2005 el total de producción de acero sobrepasó las 10⁹ toneladas. Como ya es bien conocido, la base de la resistencia a la corrosión ambiental del acero es la adición de cromo al acero. A partir de la adición de aproximadamente 12% de cromo, se forma una capa uniforme, continua, adherente y muy delgada de óxido de cromo, que cubre toda la superficie del acero, siendo esta película de óxido de cromo, la que le confiere las propiedades de inoxidabilidad.

Los aceros inoxidables pueden presentar diversas estructuras, que juegan un papel muy importante en su comportamiento, tanto mecánico como en cuanto a resistencia a la corrosión. Las estructuras básicas son tres: martensita, ferrita y austenita, aunque también pueden presentarse estructuras combinadas de aquellas siendo las más corrientes las estructuras mixtas ferrita+martensita y ferrita+austenita. Los aceros austeníticos constituyen una clase especialmente extensa en términos de diversidad y utilización. El elemento cromo tiene como misión incrementar la resistencia a la corrosión, el níquel estabiliza la fase austenítica. El manganeso puede utilizarse como elemento para remplazar el níquel, pudiendo llegar a contenidos del 15% (serie 200). El nitrógeno es también un elemento estabilizador de la austenita. El molibdeno se utilizar principalmente para incrementar la resistencia a la picadura del acero. Contenidos de silicio entre 1 y 3% en peso incrementan la resistencia a la oxidación a elevada temperatura y valores superiores (hasta el 5%) es utilizan en ciertos casos para incrementar la resistencia a la corrosión en ácido nítrico [Ref. 3, 4].

El presente artículo se analiza concretamente las características, propiedades y resultados de los hilos tubulares con protección gaseosa de acero inoxidable, tanto con relleno metálico (metal cored) como con formación de escoria. Se detallan las experiencias de campo de Böhler y Avesta en la utilización de hilos tubulares así como diferentes ejemplos y casos de éxito de estos productos.

Los hilos tubulares con relleno metálico (metal cored) tienen una muy pequeña proporción de componentes no metálicos en su interior (contenido inferior al 5% en peso), siendo su eficiencia de deposición de alrededor 94-96% (frente al 95-98% de hilo sólido). Puesto que estos hilos no producen escoria que cubra el metal depositado, no puede soldarse tan fácilmente en toda posición (como en el caso de los hilos tubulares con escoria). La superficie del depósito es similar a la del hilo macizo, conteniendo islas de silicatos metálicos. Por ello, la soldadura con metal cored (al igual que con hilo macizo) necesita una limpieza entre pasadas mínima. La densidad de corriente que experimenta un hilo metal cored es superior al hilo macizo para igual diámetro y amperaje, debido a sus diferencias inherentes de superficie de sección, dando lugar a una mayor velocidad de soldadura.

El gas recomendado es el estándar Argón + 2,5% CO₂. Un mayor contenido de CO₂ incrementaría el contenido de carbono y óxido en el metal depositado dando lugar a una disminución de la resistencia al impacto y ductilidad. También la cantidad de escoria y formación de óxido superficial aumenta considerablemente al incrementar el porcentaje de CO₂. Las características de la soldadura se mantendrán correctas aún con un contenido del 20% de CO₂ en Argón. Las mezclas de 3 componentes están recomendadas para cumplir con las más elevadas propiedades mecánicas. Por ejemplo, la mezcla Argón + 20-30% Helio + 1-2% CO₂ proporciona una buena soldadura y características de mojabilidad adecuadas, así como una buena penetración, poca oxidación superficial y propiedades de ductilidad e impacto mejoradas.

Las principales ventajas competitivas de los hilos tubulares metal cored son las siguientes:

• Alta velocidad de deposición (en plano).
• Baja cantidad de proyecciones.
• Elevada tasa de deposición.
• Buena apariencia superficial y forma del cordón.
• Bajo nivel de humos generados durante la soldadura.
• Cordón limpio y sin escoria superficial.

Podríamos señalar igualmente como principales desventajas de la utilización del hilo tubular metal cored frente al hilo macizo un precio superior, así como una ligera menor eficiencia de deposición. Böhler, en términos de nuevos desarrollos, ha introducido con éxito al mercado una gama metal cored con posibilidad de soldar en posición plana espesores mínimos de chapa de alrededor de 1 milímetro.

Cada vez más el hilo tubular con formación de escoria está substituyendo al hilo macizo en un gran número de aplicaciones debido al conjunto de propiedades positivas que el hilo tubular comporta. La Figura 2 muestra un esquema del principio de la soldadura mediante los hilos tubulares (FCAW). Existen diferentes patentes respecto a la composición adecuada del fundente para este tipo de hilos, evaluando la proporción de los diferentes componentes metálicos (Cr, Mo, Bi), no metálicos (N₂, C) y cerámicos (TiO₂, SiO₂, ZrO₂, Al₂O₃, MgO) en los fundentes que ofrece las mejores características de soldabilidad y propiedades mecánicas [Ref. 5].

Se aconseja como gas protector la utilización de Argón + 15-25% CO₂ con un caudal de gas de 15-18 l/min (para hilo de diámetro de 1,2 milímetros). La adición del CO₂ aumenta la penetración en el cordón. En el caso de utilizar CO₂ puro es necesario aumentar en 2 el voltaje aplicado. El incremento de la proporción de CO₂ en el gas de protección conlleva también a un incremento del contenido de carbono en el metal depositado que causa, a su vez, una disminución del contenido de ferrita en el depósito [Ref. 6].

Se recomiendan sistemas de cuatro rodillos en forma de V para la alimentación constante del hilo. Para aumentar la productividad puede ser ventajoso la utilización de respaldos. El amplio arco de los hilos tubulares permite una correcta fusión del cordón de raíz y una buena apariencia, así como unos niveles de ferrita constantes.

La principal diferencia entre los hilos tubulares y los hilos macizos es la existencia del fundente.

El fundente proporciona una serie de ventajas:

• Permite la desoxidación del material fundido.
• Forma escoria que controla la velocidad de enfriamiento del depósito.
• Estabiliza el arco.
• Da lugar a un incremento de la velocidad de soldeo, sobretodo en posición vertical ascendente.

La composición del fundente modifica las propiedades mecánicas y de soldabilidad del hilo. Por otro lado tiene influencia en los siguientes parámetros:

• Velocidad de deposición.
• Posición de soldadura.
• Soldabilidad.
• Características mecánicas de tenacidad y resistencia.

Los hilos tubulares pueden estar especialmente adaptados para soldar en posición plana o para soldar en toda posición según sea la composición del fundente. Un fundente de rápida solidificación producirá que pueda soldarse en toda posición, incluso bajo techo o vertical descendente. Normalmente, todos los hilos de grosor de 0,9 milímetros pueden soldarse en toda posición.

Sin embargo, la pregunta más importante que nos debemos hacer a la hora de pensar en utilizar los hilos tubulares es: ¿Cuáles son sus ventajas reales a la hora de utilizarse? Entre las más importantes se pueden indicar las siguientes ventajas:

• Facilitan la soldabilidad.
• Aumentan la productividad.
• Disminuyen los costes totales.
• Reducen el riesgo de defectos.
• Cumplen perfectamente los requisitos de calidad.

A continuación analizaremos cada uno de estos puntos más detalladamente:

2.2.1.- Facilitan la soldabilidad

Uno de los factores a tener en cuenta a la hora de utilizar los hilos tubulares es que presentan un gran rango de tolerancia en cuanto a parámetros de soldadura se refiere. En la Figura 3 se muestra la ventana en la que los hilos tubulares de 1,2 milímetros y de 0,9 milímetros pueden trabajar.

La utilización de parámetros de voltaje e intensidad no adecuados dan lugar a la existencia de proyecciones o a la de una mala apariencia del cordón. También se muestra la ventana de aplicabilidad de los hilos sólidos de 1 y 1,2 milímetros mostrando un rango mucho más pequeño. Se puede concluir así que los hilos tubulares pueden tolerar una gran variedad de parámetros de soldadura. La selección de los parámetros idóneos será fácil debido al amplio rango en los parámetros y los cambios no intencionados de intensidad o voltaje no darán lugar a cambios significativos en la calidad del cordón. Sin embargo, es importante destacar que los beneficios de estos hilos mediante transferencia por arco-spray comienzan a partir de 150 A, 24 V y una velocidad de alimentación de hilo de 6,5 m/minuto [Ref. 7].

El cordón de soldadura depositado tiene una buena apariencia. Las características más importantes de los cordones son las siguientes:

• Cordón de suave apariencia.
• Buena mojabilidad.
• Poca formación de proyecciones.
• Escoria autoeliminable.
• Poca oxidación del cordón.
• Muy resistente a la corrosión intergranular al utilizar consumibles de muy bajo contenido en carbono.

También cabe destacar la diferencia de la distancia de trabajo que es de 12 milímetros al utilizar hilos sólidos y entre 15 y 20 milímetros al utilizar hilos tubulares. Este mayor ‘stick out’ (distancia pieza-boquilla) permite aumentar la accesibilidad en uniones de V de materiales gruesos.

Es importante destacar que el arco pulsado con que se utiliza normalmente el hilo sólido origina una emisión acústica muy superior a la corriente continua que utiliza en hilo tubular.

2.2.2.- Aumentan la soldabilidad

La Figura 4 muestra la comparación entre la eficiencia de deposición del electrodo, hilo macizo e hilo tubular, realizados en posición plana. El hilo tubular utiliza corriente continua y da lugar a una deposición tipo arco-spray. Se puede apreciar como el hilo tubular de 1,6 milímetros a una intensidad de 350 A alcanza una velocidad de deposición de 8 kg/hora. Al comparar entre el hilo macizo y el hilo tubular de 1,2 milímetros se observa como, a una intensidad aproximada de 270 A originan una deposición de 4,5 kg/hora en el caso del hilo macizo y 6.5 kg/hora para el hilo tubular. En el caso del electrodo de diámetro 5 la deposición máxima es de 3 kg/hora.

Así pues, a vista de los resultados analizados, se puede concretar que la productividad de los hilos tubulares es muy superior a la del electrodo y además la eficiencia de deposición es un 20% superior ya que no existe la pérdida de la colilla del electrodo. De igual forma, es un 20-30% mayor a la de los hilos sólidos.

2.2.3.- Disminución de los costes totales

Hay que destacar un conjunto de puntos a la solamente es importante el precio del hilo, sino de otros parámetros que hacen del hilo tubular un método bastante económico. La utilización de los hilos tubulares disminuye el coste final debido a que los tratamientos posteriores a la soldadura son menores. A destacar:

• Perfil suave y liso del cordón. Puede evitarse o disminuir el amolado posterior.
• Mínima formación de proyecciones que conlleva a un tiempo de limpieza menor y disminución de la suciedad en la boquilla.
• Se reduce la distorsión ya que la velocidad de soldadura aumenta.
• Se reduce la necesidad de limpieza química ya que existe una menor oxidación y cambio de color con respecto a los hilos sólidos. La disminución de la cantidad de productos de limpieza favorece al medio ambiente.
• Menor necesidad de reparaciones ya que la integridad de los depósitos es superior: menos riesgo de porosidad, inclusiones de escoria, defectos por falta de fusión.

2.2.4.- Reducción del riesgo de defectos

Al poder utilizarse en un amplio rango de parámetros de intensidad y voltaje se evitan defectos de soldadura debido a la modificación no intencionada de los mismos.

Por otro lado existe una correcta penetración y fusión de las zonas laterales del cordón (Figura 5).

No suelen producirse poros ni proyecciones debido al efecto estabilizador del arco por parte del fundente. Si aparecen poros normalmente es por utilizar parámetros de intensidad demasiado elevados que no permiten la correcta eliminación del gas del material fundido.

2.2.5.- Cumplen perfectamente con los requisitos de calidad

El depósito obtenido con los consumibles Böhler o Avesta pasa perfectamente las pruebas de radiografiado y tiene unas propiedades mecánicas excelentes.

Para la obtención del hilo tubular se realizan una serie de análisis de acuerdo con la ISO 9001 / BS 5750 donde se chequean las características químicas y de soldabilidad de cada lote. Los flejes utilizados son de tipo austenítico y de alta calidad.

Es importante tener en cuenta el tema de la humedad en cuanto a la calidad del hilo y del depósito resultante. Si se observa porosidad (agujeros en forma de gusano) puede ser debida a que necesitan secarse (150°C/24 horas), debido a que el hilo ha absorbido humedad debido a no haber estado bien almacenado.

El uso de hilos tubulares de inoxidable ha sufrido un espectacular incremento en los últimos años debido a las causas anteriormente expuestas. Los campos de aplicación incluyen el procesado de aguas residuales, industria productora de jabón y polvos de lavado, fundiciones, procesado alimentario, factorías pesqueras, industria de procesado de cerveza y vino, fabricación de puertas y ventanas, piscinas, hornos, trenes, etc.

Diferentes clientes a nivel mundial del grupo Böhler Welding utilizan este tipo de consumibles: Alstom Energy, Aker Maritime, Buderus&Hoval, Lenzing, Mannesmann, Sices, Sulzer Chemtech, Tectubi, Voith, VA Tech Hydro (Figura 6 y 7).

Referencias

Ref. 1: ‘Developments in Flux-cored Wire for Gas-shielded Arc Welding’, T. Morimoto, K.T.R. No. 26, Dec. 2005.

Ref. 2: ‘Manual del Soldador’, Publicaciones Cesol, Germán Hernández Riesco, pag. 331, 9ª edición.

Ref. 3: ‘Soldadura y decapado de aceros inoxidables dúplex y superduplex’, J.M.Miguel, P. Basco, Interempresas no 806 pag. 30-38, 2011.

Ref. 4: ‘A short review on wrought austenitic stainless steels at high temperaturas: processing, microstructure, properties and performance, material research’, vol 10, no 4, pag 453-460, 2007.

Ref. 5: ‘Patent 6340396, Flux cored wire for welding duplex stainless Steel’, January 22, 2002.

Ref. 6: ‘The effect of shielding gases on the microstructure and toughness of Stainless Steels weldments by FCAW’, R.Yilmaz, M.Tümez, 63rd Annual Assembly&International Conference of the International Institute of Welding, 11-17 July 2010, Istanbul, Turkey.

Ref. 7: http://www.boehler-welding.com/spanish/files/Fluxcoredwire_SPA.pdf.