ES2316423T3 - Procedimiento de soldadura mig del niquel y aleaciones de niquel con hgas de prteccion a base de argon y de co2. - Google Patents
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Abstract
Procedimiento de soldadura MIG del níquel y de las aleaciones de níquel, con hilo-electrodo fusible y realización de una protección gaseosa de al menos una parte de la zona de soldadura, en el cual la protección gaseosa es una mezcla gaseosa que contiene (en volumen) de 0.05% a 0.5% de CO2 y de argón, caracterizado porque la mezcla gaseosa contiene, además, de 17% a 30% de helio o de 0.1% a 10% de hidrógeno.
Description
Procedimiento de soldadura MIG de níquel y
aleaciones de níquel con gas de protección a base de argón y de
CO_{2}.
La presente invención se refiere a un
procedimiento de soldadura MIG (Metal Inert Gas) que permite soldar
eficazmente las aleaciones de níquel y mezclas gaseosas particulares
destinadas a un procedimiento de este tipo.
En la soldadura MIG, la función primera del gas
de soldadura es proteger en su conjunto el metal en fusión que se
transfiere en el arco y que proviene de la fusión de la extremidad
del hilo-electrodo fusible, y el baño de fusión
constituido de metal depositado y metal de base. El argón es un gas
inerte utilizado con frecuencia con este objetivo.
Sin embargo, para la soldadura MIG de los
aceros, se conoce que el argón solo no basta para optimizar el
procedimiento. En efecto, bajo argón solo, el arco y la
transferencia de metal en el arco son inestables.
Con el fin de remediar este problema, es clásico
añadir al argón un gas oxidante que tiene por efecto estabilizar el
pie del arco, es decir la tarea catódica, ya que la ligera oxidación
superficial procedente de la presencia de oxígeno hace entonces más
emisivos a los materiales que hay que soldar. Así, se obtiene una
soldadura más estable y sin proyecciones, y un cordón de soldadura
más regular.
En calidad de gas oxidante o elemento
estabilizador, se puede utilizar el oxígeno o el dióxido de carbono,
la naturaleza o el contenido del elemento estabilizador variando de
acuerdo con la clase o la composición de los materiales a
soldar.
Para los aceros al carbono, por ejemplo, el
contenido en dióxido de carbono (CO_{2}) varía de algunos % a 100%
en volumen, más habitualmente de 5 a 60% en vol.
Por el contrario, para los aceros inoxidables,
para los cuales es necesario limitar la oxidación superficial del
material y el contenido en carbono del metal depositado, el
contenido en dióxido de carbono está comprendido en general, de
acuerdo con los regímenes de transferencia retenidos, entre 1 y 3%
vol. Sin embargo, si el elemento oxidante es el oxígeno, como su
poder oxidante es superior al del dióxido de carbono, el contenido
añadido puede ser inferior a esos valores.
Así, el documento
US-A-4071732 muestra un
procedimiento de soldadura con protección gaseosa de alta velocidad
del acero que utiliza una mezcla gaseosa formada por un gas inerte,
como el argón, con un contenido de menos de 30% de CO_{2} o menos
de 5% de O_{2}.
Por otra parte, el documento
EP-A-639423 se refiere a un
procedimiento de soldadura por arco de aluminio y de sus aleaciones
que utiliza un gas de protección que contiene argón y/o helio y
hasta un 0,1% de CO_{2} y/o de oxígeno.
Además, el documento
EP-A-544187 describe un
procedimiento de soldadura por arco con un hilo fusible de aceros
fuertemente aleados, en especial aceros al níquel, que utilizan
mezclas gaseosas que contienen de 0,01% a 0,50% de CO_{2} o de
O_{2}, y argón y eventualmente helio para el resto. Las mezclas
preferidas contienen de 14,09% a 50% de argón y helio para el
resto.
Sin embargo, actualmente se plantea un problema
en el caso de la soldadura MIG del níquel y las aleaciones de
níquel.
El níquel y sus aleaciones presentan dos
características principales que están en la base de sus aplicaciones
en los campos de la química, de la petroquímica, de lo nuclear, de
la aeronáutica y de lo espacial, a saber:
- una buena resistencia a la corrosión en medios
muy diversos. Como para los aceros inoxidables, es la adición de
cromo la que da a la aleación su resistencia a la oxidación, esta
característica pudiendo ser reforzada por la presencia de cromo y
molibdeno; y
- una buena resistencia a alta temperatura
cuando están comprendidos en medio oxidante.
Si se omite la metalurgia de la soldadura y se
hace referencia simplemente al aspecto operatorio, es decir la
fusión del hilo, y protección del metal en fusión, la soldadura del
níquel y de sus aleaciones presenta la particularidad, en
comparación con los aceros inoxidables, de una viscosidad más
importante del metal en fusión debido a los efectos del níquel y del
molibdeno sobre las tensiones superficiales del baño, así como una
mayor dificultad para proteger de la oxidación el metal fundido que
se mantiene a alta temperatura.
Esto se traduce en general por cordones de
soldadura que pueden ser abombados e irregulares, característicos de
un metal que presenta una mala capacidad de mojado y un arco
inestable, resultado de una densidad de energía demasiado débil y
mal repartida.
Si los medios de protección gaseosa utilizados
son insuficientes, el cordón puede igualmente ser muy oxidado hasta
presentar una coloración negruzca, pegajosa difícil de eliminar.
Por ello, el objetivo de la presente invención
es proponer un procedimiento de soldadura MIG del níquel y de sus
aleaciones que permita realizar una unión de soldadura con un mojado
correcto en superficie y continuo a todo lo largo con una oxidación
superficial muy reducida.
En otros términos, el objetivo de la invención
es proponer un procedimiento de soldadura MIG del níquel y de sus
aleaciones utilizando una mezcla gaseosa de protección que garantice
una mayor estabilidad de arco así como una mayor densidad de energía
y un mejor mojado del cordón que el habitualmente obtenido por este
procedimiento.
En efecto, por una parte, un arco más estable y
más concentrado permite aumentar la penetración (profundidad) y, por
consiguiente para un espesor dado, aumentar la velocidad de
soldadura y, por otra parte, limitando muy significativamente la
oxidación de superficie de los cordones que se mantiene aceptable,
se suprimen las intervenciones habitualmente necesarias de pulido o
cepilladura en la soldadura multi-pases o en el
terminado de cordón.
La invención concierne entonces a un
procedimiento de soldadura MIG del níquel y de las aleaciones de
níquel, con hilo-electrodo fusible con la
utilización de una protección gaseosa de por lo menos una parte de
la zona de soldadura, en la cual la protección gaseosa es una mezcla
gaseosa que contiene (en volumen) de 0.05% a 0.5% de CO_{2}, y de
argón, caracterizado porque la mezcla gaseosa contiene, además, de
17% a 30% de helio o de 0,1% a 10% en volumen de hidrógeno.
De acuerdo con el caso, el procedimiento de la
invención puede comprender una o varias de las características
siguientes:
- la mezcla gaseosa contiene menos de 25% de
helio.
- la mezcla gaseosa contiene, además, de 0.1% a
7% en volumen de hidrógeno.
- la mezcla gaseosa contiene de 0.1% a 0.5% de
CO_{2}, de preferencia de 0.1% a 0.4% de CO_{2}, preferiblemente
aún de 0.1% a 0.3% de CO_{2}.
- la mezcla gaseosa está constituida en volumen
de 0.1 a 0.5% de CO_{2}, de 17% a 19% de helio y de argón para el
resto, de preferencia del orden de 0.3% de CO_{2}, del orden de
18% de helio y de argón para el resto.
- la mezcla gaseosa está constituida en volumen
de 0.1 a 0.3% de CO_{2} y de argón para el resto.
- la mezcla gaseosa está constituida en volumen
de 0.1 a 0.3% de CO_{2}, de 17 a 30% de helio y de argón para el
resto.
- la mezcla gaseosa está constituida en volumen
de 0.1 a 0.3% de CO_{2}, de 1 a 5% de hidrógeno y de argón para el
resto, de preferencia de 0.1 a 0.3% de CO_{2}, de 3 a 5% de
hidrógeno y argón para el resto.
- se utiliza un hilo fusible compacto o
recubierto cuya clase se selecciona en función de la o las familias
de aleaciones involucradas, es decir en función de la aleación de
níquel a soldar.
- el procedimiento es, en función de la
naturaleza del hilo utilizado (macizo o recubierto), de régimen de
transferencia de arco corto (short arc), pulsado o pulverización
axial (spray).
Además, la invención se refiere también a una
mezcla gaseosa constituida en volumen de 0.11% a 0.3% de CO_{2},
de 17 a 30% de helio y de argón para el resto, de preferencia
contiene menos de 25% de helio.
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Los inventores de la presente invención han
efectuado un cierto número de ensayos y han puesto en evidencia que
ciertos gases o familias de gases de protección habitualmente
dedicadas a la soldadura de los aceros inoxidables pueden convenir
también para soldar eficazmente las aleaciones de níquel, aunque las
propiedades de estos dos tipos de materiales sean totalmente
diferentes, a condición de limitar el contenido en elemento
oxidante, es decir aquí el contenido en CO_{2}.
Así, una mezcla ternaria constituida
esencialmente de argón con la adición de 18% de helio y de 1% de
CO_{2} (hasta alcanzar el 100% en volumen) puede sin dudas
convenir para soldar las aleaciones de níquel, en particular si el
conjunto soldado se somete, después de la soldadura, a una operación
de acabado, tal como una operación química de
decapado-pasivación o mecánica de limpieza de la
soldadura que se encuentra ligeramente oxidada durante y después de
la soldadura.
De cualquier manera, si en esas mismas
condiciones de realización, el conjunto soldado se mantiene en bruto
después de la soldadura, la naturaleza de la protección gaseosa debe
estar adaptada con el fin de obtener un buen compromiso entre la
estabilidad de arco y la limitación de la oxidación de superficie
del cordón.
A partir de los ensayos efectuados, se deducen
tres familias principales de mezclas gaseosas utilizables para
soldar las aleaciones de níquel, a saber:
- las mezclas gaseosas binarias de argón y de
CO_{2} que tienen un contenido en CO_{2} preferiblemente
superior a alrededor de 0,1% para garantizar la estabilidad del arco
e inferior a 1% para limitar la oxidación del metal depositado, de
preferencia inferior a 0,3%.
- las mezclas gaseosas ternarias argón +
CO_{2} + helio, con un contenido en CO_{2} idéntico a las
mezclas precedentes y cuyo contenido en helio está comprendido entre
15 a 50% (el resto siendo de argón), lo que permite mejorar el
mojado del cordón,
- las mezclas argón + CO_{2} + hidrógeno
(H_{2}) con un contenido en CO_{2} idéntico a aquellos de las
mezclas precedentes y cuyo contenido en hidrógeno está comprendido
entre alrededor de 1% y alrededor de 5% (el resto siendo de argón)
de manera que mejore todavía más el mojado y que permita, de acuerdo
con el carácter reductor del hidrógeno, limitar la oxidación
superficial del cordón.
Los gráficos de la tensión (en voltios) en
función del tiempo (en segundos) obtenidos en soldadura MIG con gas
protector constituido por argón puro (Fig. 1a) y, a título de
comparación, con el argón adicionado de 0.11% de CO_{2} de acuerdo
con la invención (Fig. 1b) se presentan en las figuras 1a y 1b.
Estos gráficos se han obtenido mediante la
realización de una soldadura MIG de corriente pulsada con depósito
de una chapa compacta sobre un material en aleación de níquel de
clase 625 y con un material de aporte (hilo) de la misma clase, para
una velocidad de soldadura de 21 cm/min y una velocidad de hilo de
4.5 m/min.
Se ve claramente que la adición de 0,11% de
CO_{2} (fig. 1b) en régimen pulsado es suficiente para estabilizar
el arco eléctrico ya que se obtiene una reducción de las variaciones
de tensión en cresta (\DeltaUc) y de las variaciones de tensión en
el momento del desprendimiento (\DeltaUc) de la gota de metal
fundido.
De manera análoga, se ha comprobado igualmente
una influencia similar para una adición de 0,11% de CO_{2} en una
base de argón que contiene alrededor de 5% de hidrógeno (Fig. 2b)
con relación a una mezcla gaseosa de referencia constituida
únicamente por argón e hidrógeno en las mismas proporciones (Fig.
2a), que se explica por una influencia acumulada benéfica del
CO_{2} a aquella del hidrógeno sobre la constricción del arco, es
decir un aumento de la densidad de energía, y en la reducción de la
oxidación superficial de los cordones.
Del mismo modo, resultados similares se han
obtenido para una adición de 0,11% de CO_{2} en una base de argón
que contiene alrededor de 18 a 20% de helio (Fig. 2b') con relación
a una mezcla gaseosa de referencia constituida únicamente de argón y
de helio en las mismas proporciones (Fig. 2a').
Por otra parte, los resultados de la soldadura
obtenidos en los diferentes ensayos realizados sobre placas en
aleación de níquel INCO 625 de espesor de 3 mm, se dan en la tabla I
ofrecida a continuación que muestra los aumentos de velocidad de
soldadura y de mejoramiento de la estabilidad del arco, durante la
transferencia de metal, observadas por diferentes mezclas gaseosas
de acuerdo con la invención y ello, por comparación con el argón
puro (índices de referencias 1), mientras que estas diferentes
mezclas son utilizadas en calidad de gas de protección en el
procedimiento MIG.
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(Tabla pasa a página
siguiente)
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Por otra parte, se ha representado en las
figuras 3 a 6, las mediciones de los cordones realizadas por
soldadura MIG en chapa compacta, en las mismas condiciones
operatorias que precedentemente, utilizando diferentes mezclas
gaseosas, a saber el argón puro o mezclas conformes con la
invención, es decir que comprenden argón adicionado con 0.11% de
CO_{2} y que comprenden eventualmente, además, 20% de helio,
alrededor de 1.5% de hidrógeno o alrededor de 5% de hidrógeno.
Estas figuras 3 a 6 ilustran la penetración (P)
de soldadura obtenida (fig. 3), el largo (l) del cordón obtenido
(fig. 4), el sobre-espesor (s) resultante (fig. 5) y
el ángulo (a) de mojado (fig. 6) obtenidos con cada uno de los gases
o mezclas gaseosas sometidos a prueba; estos diferentes parámetros
de medida y su posicionamiento se esquematizan en la figura 7.
Estos resultados demuestran claramente el
interés, con relación al argón puro, de utilizar las adiciones
gaseosas de CO_{2}, por una parte, y de helio o de hidrógeno, por
otra parte, puesto que tales adiciones conducen:
- a un aumento de la penetración P,
- a un mejoramiento del mojado que se traduce en
un aumento de la anchura, es decir un ancho (l) de cordón más
importante y una disminución del sobre-espesor (s),
así como en un aumento del ángulo de mojado.
- una reducción muy sensible de la oxidación de
superficie de los cordones con una adición complementaria de
alrededor de 4 a 5% de hidrógeno.
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Estas evaluaciones de morfología de los cordones
han sido igualmente completadas por una caracterización de las
uniones soldadas correspondientes, a saber compacticidad y
características mecánicas, especialmente para poder decidir sobre la
eventualidad de un daño de las uniones soldadas por una solubilidad
excesiva del hidrógeno en el metal fundido que pueda provocar no
solo una tasa de porosidades redhibitoria sino también valores de
resiliencia insuficientes a baja temperatura.
\newpage
Los resultados comparativos obtenidos por el
procedimiento MIG de acuerdo con la invención y por los
procedimientos TIG o plasma, sobre ensamblajes en aleación de níquel
de tipos INCO 600 y 625, y presentadas en la tabla II a continuación
muestran:
- coeficientes de uniones y de valores
intrínsecos de resiliencia a -196ºC del todo comparables con
aquellos obtenidos en procedimientos de soldadura TIG (Tungsten
Inert Gas) y plasma que utilizan gases de protección de tipo
Ar/H_{2}.
- una tasa de hidrógeno total en soldadura
multi-pasos de alrededor de 8 ppm, que se posiciona
de acuerdo con los materiales sometidos a prueba, entre los 2
procedimientos antes citados, a saber de 6 ppm en soldadura de
plasma a 14 ppm en TIG.
\vskip1.000000\baselineskip
\newpage
La contaminación por el hidrógeno del metal
fundido no es por lo tanto más crítica que en soldadura TIG o plasma
y no provoca ninguna degradación significativa de las
características intrínsecas de los ensamblajes.
Además, tales adiciones gaseosas pueden mejorar
la productividad gracias a un aumento de la velocidad de soldadura.
En efecto, con relación al argón puro, para una misma penetración o
para una misma anchura de cordón, es posible aumentar
considerablemente la velocidad de soldadura, como se muestra en la
figura 8 donde una mezcla gaseosa Ar+H_{2}+CO_{2} provoca una
ganancia de velocidad de soldadura que puede alcanzar alrededor de
+26%.
Por otra parte, un examen del aspecto de
superficie de los cordones ha confirmado el interés de limitar el
contenido en CO_{2} para minimizar la oxidación superficial, tanto
en soldadura automática como en soldadura manual.
En la práctica, operar adiciones de acuerdo con
la invención es entonces favorable para operaciones de soldadura
(unión entre 2 o varios elementos) o de recarga. Se limita en los 2
casos las operaciones de acabado después de la soldadura y se mejora
el comportamiento en cuanto a la resistencia a la corrosión de los
ensamblajes sin degradar sus propiedades mecánicas.
Estructuras en níquel o aleaciones de níquel
soldadas por el procedimiento MIG de la invención son, por
ejemplo:
- tuberías, bombas, intercambiadores, aparatos
tipo caldera para la química de la sosa y de las fibras sintéticas
(familia de Ni puro);
- columnas, reactores, intercambiadores de
calor, depósitos de almacenaje para la química del ácido
fluorhídrico, las fábricas de desalinización de agua de mar, el
offshore (familia de los NiCu), reactores nucleares on shore o
embarcados (familia de los NiCr);
- hornos y colectores de reformación y craqueo
catalítico en petroquímica (familia de los NiCrFe);
- turborreactores en aeronáutica y turbinas de
gas (clase NiCrFeNb);
- recipientes de almacenamiento de gases
licuados, fijos o transportables, realizados en aceros a 5.5 o 9% Ni
cuya soldadura reclama un metal de aporte de clases NiCr o
NiCrMo.
Claims (12)
1. Procedimiento de soldadura MIG del níquel y
de las aleaciones de níquel, con hilo-electrodo
fusible y realización de una protección gaseosa de al menos una
parte de la zona de soldadura, en el cual la protección gaseosa es
una mezcla gaseosa que contiene (en volumen) de 0.05% a 0.5% de
CO_{2} y de argón, caracterizado porque la mezcla gaseosa
contiene, además, de 17% a 30% de helio o de 0.1% a 10% de
hidrógeno.
2. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la mezcla gaseosa
contiene menos de 25% de helio.
3. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 1, caracterizado porque la mezcla gaseosa
contiene de 1% a 7% en volumen de hidrógeno.
4. Procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque la mezcla
gaseosa contiene de 0.1% a 0.5% de CO_{2,} de preferencia de 0.1%
a 0.4% de CO_{2}, aún más preferiblemente de 0.1% a 0.3% de
CO_{2}.
5. Procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la mezcla
gaseosa está constituida en volumen de 0.1 a 0.5% de CO_{2}, de 17
a 19% de helio y de argón para el resto, de preferencia del orden de
0.3% de CO_{2}, del orden de 18% de helio y de argón para el
resto.
6. Procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la mezcla
gaseosa está constituida en volumen de 0.1 a 0.3% de CO_{2} y
argón para el resto.
7. Procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la mezcla
gaseosa está constituida en volumen de 0.1 a 0.3% de CO_{2}, de 17
a 30% de helio y de argón para el resto.
8. Procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizado porque la mezcla
gaseosa está constituida en volumen de 0.1 a 0.3% de CO_{2}, de 1
a 5% de hidrógeno y de argón para el resto, de preferencia de 0.1 a
0.3% de CO_{2}, de 3 a 5% de hidrógeno y de argón para el
resto.
9. Procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 8, caracterizado porque se utiliza un
hilo fusible compacto o recubierto cuya clase se selecciona en
función de la aleación de níquel a soldar.
10. Procedimiento de acuerdo con las
reivindicaciones 1 a 9, caracterizado porque el procedimiento
es, en función de la naturaleza del hilo utilizado, de régimen de
transferencia por arco corto, pulsado o pulverización axial.
11. Mezcla gaseosa constituida en volumen de
0.11 a 0.50% de CO_{2}, de 17 a 30% de helio y de argón para el
resto.
12. Mezcla gaseosa de acuerdo con la
reivindicación 11, caracterizada porque contiene menos de 25%
de helio.
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