Determinación de la relación entre el número de ferrita medido por magnetismo

y el calculado gráficamente en depósitos de soldadura de aceros inoxidables austeníticos . . ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ingeniero Metalúrgico de lo Universidad Libre de Colombia, Ingeniero Químico de lo Universidad Nocional de Colombia. Jefe de Control de Calidad de lo Empresa Electromonufocturos S.A. Miembro activo de AWS, del Comité Técnico de ACOSEND, del Comité de Normalización de Soldadura del ICONTEC y del Comité Técnico poro lo Certificación de Competencias Laborales SENA. Catedrático de lo Especialización en Soldadura de lo Universidad Libre.

1 NTRODUCCIÓN

El contenido de ferrita tiene influencia

sobre las propiedades del metal de

soldadura de depósitos de aceros

inoxidables austeníticos. Es conocido

que la ferrita reduce la tendencia a la

fisuración del metal de soldadura; su

presencia aumenta la resistencia del

metal de soldadura y puede presentar

un detrimento sobre el comportamiento

del material en ciertos medios

corrosivos. Generalmente disminuye la

tenacidad en servicio criogénico,

como también en servicio a alta

temperatura en donde puede

transformar a fase sigma [Refs. 1 y 2].

Se han desarrollado diagramas de

constitución, a través de los cuales

se puede predecir el contenido de

ferrita en el metal de soldadura

util izando su composición química

[Ref. 3]. En 1949 se pub licó e l

Diagrama de Schaeffler, el cual se ha

uti lizado ampliamente para estimar

el contenido de ferrita en metales de

soldadura de aceros inoxidables y

predecir la microestructura en

uniones de metales d isímiles. Se han

identificado los siguientes problemas

cuando se utiliza este diagrama: no

tiene en cuenta el nitrógeno como

elemento austenizador, hace un

tratamiento inadecuado del

1 Luis Eduardo Garavito Ramírez

manganeso y expresa el contenido de

ferrita en porcenta je, lo cual es

impreciso [Refs. 3 y 4] .

El Diagrama de Delong se publicó en

197 4 e introdujo algunas mejoras: involucró el nitrógeno en el cálculo del

níquel equivalente y la escala de NF.

Como limitaciones presenta el manejo

inadecuado del manganeso, el área

limitada respecto al Diagrama de

Schaeffler y la sobreestimación del contenido de ferrita en materiales con

bastante a leación, como en el caso

del E309.

En 1988 se publ icó el Diagrama

WRC- 1988, el cual presenta una excelente predicción del contenido de

ferrita superando a los anteriores

d iagramas. Se aplica para rangos de

NF de O a 100, para contenidos de

Mn hasta 1 0%, Mo hasta 3%, N hasta

0.2% y Si hasta 1%. La mejora en la

predicción ha hecho que este diagrama se haya considerado para

reemplazar el Diagrama de Delong

en el código ASME [Ref. 5].

En 1992, Kotecki and Siewe rt

propusieron una modificación del Diagrama WRC- 1988, en la cual se

incluye el Cu en el cálculo del níquel

equiva lente, y una extensión para

mejorar la predicción de l NF en

uniones disímiles [Ref. 4].

INVITADO ESPECIAL / ----~

l . Base experimental y procedimiento

Para el desarrollo del presente

traba jo se utilizaron electrodos

revestidos del tipo E308L, E308H,

E309L, E309Mol, E3l O, E316L,

E3l 7 y E34 7, clasificaciones de

acuerdo con la especificación AWS A5.4-92 [Ref. 1]. Estas clasificaciones

de electrodos corresponden a los de

mayor utilización en el mercado. Los valores de Número de Ferrita

esperados para este tipo de

electrodos, son inferiores a 20

[Ref. 6].

En total se obtuvieron 96 muestras

de las anteriores clasificaciones, de

diferentes lotes y diámetros. Con

cada muestra se realizó una probeta

para la determinación del Número

de Ferrita, los cuales se prepararon

de acuerdo con lo establecido en

la especificación AWS A5.4-92

apéndice A6. Uno vez preparados,

se procedió o determinar el Número

de Ferrita con un instrumento

calibrado de acuerdo con lo

establecido en la especificación

AWS A4.2 -97 [Ref. 7]. El equipo

utilizado fue un "Inspector Goge"

ca librado con patrones de referencia primarios SRM l364b y

l364b del NIST (National lnstitute

of Standards and Technology, Boulder, Co.).

En la superficie de cado probeta

sobre lo cua l se determinó el

Número de Ferrita, se realizó el

respectivo análisis químico mediante

un espectrómetro emisión por

chispo, del tipo "SpectroLAB" el cual

previamente se calibró y verificó con

patrones de referencia NIST SRM

1155 y SRM 1172. Con el análisis

químico obtenido se determinó el

Tabla 1. Distribución del Número Total de Muestras por Clasificación

y Diámetro (Total de muestras: 96)

Clasificación 1 Número de ¡ Diámetro 1 Diámetro 1 Diámetro 1 Diámetro Muestras 2.4 3.2 4.0 4.8

308H 8 1 3 4 o 308L 41 6 20 12 3

309L 19 1 9 7 2

309Mol 3 o 3 o o 310 7 o 3 4 o 316L 11 2 5 2 2

317 2 o 1 1 o 347 5 o 3 2 a O Total 96 10 47 32 7

Tabla 2. Distribución de los valores de número de ferrita obtenidos por

medición directa sobre la probeta (Total 96)

Clasificación J Rango de Número de Ferrita. Obte_nido ::

E308L 5 - lo

E308H 3- 12

E309L 1 E309Mol 7 - 17

E310 o - 0.7

E316L 1 E31 7 3 - lO

E347 4 - 10

Total de Rango o - 17

Tabla 3. Rango de valores de la composición química obtenida por elemento

' Elemento ; Rango Obtenido (% en peso)

e 0.01 - 0.11

Mn 1.1 - 2.0

Si 0.2 - 0.8

Ni 9.5 - 21

Cr 18.5 26

M o 0.04 - 3.1

Nb 0.01 - 0.90

N 0.03 - 0.06

.. Figura 7. Histograma de frecuencias de los errores

(NF Medido - NF WRC 1992) (todos los datos)

los resultados y los errores esperados

para límites de confianza del 95%.

La correlación se establece utilizando

como variable independiente el Número

de Ferrita calculado gráficamente a

través de la composición química (X),

y como var iable dependiente el

Número de Ferrita obtenido por

medición directa sobre la probeta (Y).

40

30 r-

-2sp 1

1

1

1

1 20

1

1 1

1 1 ...-

r+-1

10 1

1

1 1

o -3 -2 -1

Número de Ferrita a través del

diagrama d e const itución para

depósitos de soldadura WRC 1992

[Ref. 4].

La distribución del número de muestras

por clasificación de los electrodos y

por los diámetros se muestra en la

Tabla 1 . De las referencias y diámetros

de mayor utilización en el mercado,

se obtuvieron mayor cantidad de

muestras. El número de muestras

propuestas para el presente traba jo

equivalen al14% de las muestras que

se trabajaron pa ra obtener el

Diagrama WRC 1988 [Ref. 5] con

NF< 18, y al 50% de las muestras del

trabajo de verificación del Diagrama

WRC 1988 real izado por Kotecki [Ref.

8]. Los va lores de Número de Ferrita

obtenidos por medición directa sobre

la probeta y su dist ribuc ión se

muestran en la Tabla 2 , y el rango de

va lores de la composición química

obtenido por elemento en la Tabla 3.

Con los datos obtenidos se uti lizaron

representaciones estadísticas paro

establecer las correlaciones entre

los datos y su dispers ión . Del valor

de Número de Ferrita obtenido a

··.

o

Mean

li

+2sp P"""' 1

1 1 1

.....- 1

1

1 1

1

1

1 1

1

1 1

1 1

n-

2 3 4

través de la medición directa sobre

la probeta, se restó el respectivo

valor de Número de Ferrita obtenido

a través de la composición química

utilizando el Diagrama WRC 1992.

Con las diferencias obtenidas (errores),

se realizaron d iag ramas de frecuencia,

tanto de todos los valores como por

clasificaciones . Posteriormente se

rea lizaron regresiones lineales simples

para establecer la correlación entre

2. Resultados y Discusión

2 .1 Diagramas de Frecuencia

Con los valores de error encontrados

(NF Medido - NF WRC1992), se

rea lizan diagramas de frecuencia de

todos los datos y estratificados por

clasificaciones; con el promedio se

determina el centramiento y con la

desviación estándar se determina la

dispersión. Se toma como referencia

el valor de + / - 28 (límite de confianza

del 95%). Los d iagramas se muestran

en las Figuras 1, 2, 3, 4 y 5 .

El 99% de los datos se encuentran en

el rango de+/- 2.2 unidades; el valor

promedio de los datos está ligeramente

Figura 2. Histograma de f recuencias de los errores (NF Medido

- NF WRC 1992). Clasificaciones 308L y 308H (49 datos)

Mean 20 1

1

r-•

15 -2sp +2sp 1

1 1 1

1 1 10 1 ,..... 1 ...-1 ,..... 1 r--1 1 5 1 1 1 1

1 1 1 1 h o

-3 -2 -1 o 2 3 4

_,_,_.+ __ fN_v_tr._A_o_o_E_sP_E_c_tA_L ____ __.,/

desplazado hacia el valor negativo de

cero (Fig. 1). Estos datos presentan uno

menor desviación que los valores

encontrados poro NF < 18 en lo

Referencia 1 (el 85% de los datos se

encontraron en el rango de + /- 2.5

unidades). Los análisis químicos

realizados o través del espectrómetro de

emisión presentan valores consistentes

y lo predicción del NF o través del

método gráfico presenta dispersiones

y desviaciones relativamente bajas. El histograma de frecuencias presenta

uno formo normal con uno muy boja desviación (buen centramiento).

Lo estratificación de los datos por

clasificaciones muestra un valor bajo

para los referencias del tipo 308 (L y H), no muy lejano de las otras

clasificaciones, excepto para los que

contienen molibdeno (Fig. 4), el cual

presenta el menor valor de dispersión

pero con la mayor desviación con

respecto al cero. A pesar de esto, los

datos de los clasificaciones con molibdeno se encuentran en el rango

de -0 a + 2. El histograma para las

clasificaciones 31 O y 34 7, presenta también un bajo valor de dispersión;

esto se puede deber a que los datos

de 31 O presentan valores muy cercanos

o cero y no negativos.

Los valores de error poro los

clasificaciones 308 (L y H), 309L y

oleados con molibdeno presentan valores de error de NF menores y con

un mayor número de muestras dentro

de este rango, que los encontrados

para estos clasificaciones en estudios

anteriores [Ref. 5]. Este comportamiento

se esperaba, de acuerdo con lo observado en el histograma de todos

los datos (Fig. 1 ).

Respecto al comportamiento de los

valores obtenidos con re lación al

diámetro, no se observo ningún

comportamiento diferente o los obtenidos

Figura 3. Histograma de frecuencias de los errores (NF Medido

- NF WRC 1992). Clasificaciones 309L (19 datos)

6

-2sp

4 ..---

2

o -3 -2 -1 o

en los histogramas mostrados, por lo

que el diámetro del electrodo no

muestra influencia en la determinación

del NF por el método gráfico poro

una mismo o diferente clasificación.

2 .2 . Relación de los datos. Regresión lineal

Se realizaron regresiones simples

entre el NF medido directamente

Mean

,_

...-- +2sp 1

2 3 4

sobre lo probeta y el NF

determinado con el Diagrama WRC

1992 [Ref. 9] . Al igual que con los

histogramas, se real izaron

para todos los datos y pa ra cada

una de los clasificaciones

estratificadas. En la Tabla 5 se

presentan los datos de los

parámetros de correlació n

encontrados para los diferen tes

análisis realizados.

Figura 4. Histograma de frecuencias de los errores (NF Medido

- N F WRC 1 992). Clasificaciones 309MoL, 316L y 31 7 ( 1 6 datos)

12 Mean

10

-2sp +2sp 8

6

4

2

o -3 -2 -1 o 2 3 4

Figura 5 . Histograma de frecuencias de los errores (NF Medido

- NF WRC 1992). C lasificaciones 310 y 347 (12 datos)

Mean 8

6 -2sp +2sp

4

2

o -3 -2 -1 o 2 3 4

Tabla 4 . Valores Estadísticos de los Histogramas

Estratificación 1 Figuro Promedio 1 Desviación límite Estándar + 1- 2 S

Todos 1 0.38 1.22

308L - 308H 2 0. 10 1.34

309L 3 0.52 1.30

309Mol -3 16L -31 7 4 1.12 0 .61

310-347 5 0.33 0.77

Tabla 5. Valores de Reg resión Lineal Simple Y = A+ B .X

(Y= NF medido y X= NF diagrama WRC 1992)

2 .44

2 .68

2 .60

1.22

1.54

Clasificaciones ! Coeficiente Coeficiente 1 Error ·¡ Coef. Límite de A B estándar Correlación confianza

estimado {r) 95% {+ / -2 o)

Todos los datos 0.671 0.963 1.17 0.95 2.3

Todos los dotas 0.671 0.962 1.17 0.95 2.3

sin Molibdeno

308L-308H 1.73 0.79 1.16 0.87 2.3

309L 1.78 0.88 1.26 0.81 2.5

309Mol -316L -31 7 0.85 1.04 0.60 0.99 1.2

310-347 1 0.124 1.06 0.86 0.96 1.7

Como se puede observar en la Tabla

5, al estratificar cada una de los

clasificaciones 308 (L y H) y 309L y

comparar los resultados de residuales y datos estadísticos contra los valores

obtenidos de todos los datos, se

observa un aumento en e l error

estimado y uno d isminución del

coeficiente de correlación (r), el cual

posa de excelente a aceptable en estas dos clasificaciones [Ref. 1 0). Po ro las

clasificaciones aleadas con molibdeno

se observa uno considerable disminución

en el error estimado y una correlación

casi perfecta, efecto que se pierde cuando esta clasificación se involucra

dentro de todos los datos. De acuerdo con lo anterior, se sugiere tener dos

correl aciones : u na para las

c las ificac iones con a leació n de

molibdeno (309Mol , 316L, 3 17) y otra poro las clasificaciones 308 (L y H), 309L, 3 10 y 347, uti lizando en esta última todos los datos.

CoNCLUSIONES

Se han encontrado dos relaciones para determ inar el NF medido por

magnet ismo a través del NF calculado con el diagrama WRC

1992, util izando la técnico de emisión por chispa para la determinación del análisis químico.

Se aplican para depósitos de metal

de soldadura en los cuales se espera

un NF inferior o 20 con los rangos de composición química establecidos.

Los valores de error estimado de los

corre laciones y para un lím ite de

confianza del 95%, están por debajo de los reportados en estudios anteriores y corresponden a: +/- 1.2

NF para las clasificaciones aleadas con molibdeno y o +/- 2.3 NF paro

los otros clasificaciones.

INVITADO ESPECIAL /

---------

Figuro 6. Regresión Lineal para todos los Datos y util izable para las clasificaciones 308(L y H), 309L, 31 O y 34 7

15

10

5

.•

o

.. .. · .. ..

.. o 2 4 6 8 10 12 14 16

Linear: Y= .6712136 + .962698 • X Linear 95%C.I.

Figuro 7. Regresión Lineal para las clasificaciones aleadas con Molibdeno (309MoL, 3 1 6L y 3 1 7)

15

10

.• -····+ + .. ·

5

-!:············· ...

2 4 6 8 10 12 14 16

Linear: Y = .8491673 + 1.042886 • X Linear 95%C.I.

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