Resúmenes
En este trabajo se estudian los fenómenos metalúrgicos que ocurren en la soldadura SMAW de un acero inoxidable ferrítico AISI 430 con un acero inoxidable austenítico AISI 316L. Para el estudio se utilizaron dos tipos de electrodos: austenítico AWS E309L y dúplex AWS E2209-16, ambos con un diámetro de 3,2 mm. Las uniones soldadas se realizaron con un solo pase y se variaron simultáneamente la corriente y la velocidad de soldadura; las condiciones fueron 49 A y 2,4 mm.s–1como valores bajos y 107 A y 4,3 mm.s–1como valores altos. Se evaluó la influencia del tipo de electrodo y de los parámetros de soldadura en la evolución microestructural de las zonas afectadas por el calor y de las zonas de fusión, encontrando diferencias en la morfología y cantidad de ferrita delta para todas las condiciones estudiadas. Se evidenció crecimiento y refinación de grano ferrítico y formación de martensita en la zona afectada por el calor del metal base ferrítico. Se evaluó también la resistencia a la tensión hallando similitudes en todas las soldaduras.
Soldadura de aceros inoxidables; SMAW; Metalurgia de la soldadura; Acero inoxidable austenítico; Acero inoxidable ferrítico
This research studies the metallurgical transformations taking place the SMAW welding of AISI 316L austenitic stainless steel with AISI 430 ferritic stainless steel. To perform the study were used two different electrodes, AWS E309L austenitic and AWS E2209-16 duplex stainless steels 3.2 mm diameter. The joints were made with a single-pass welding including current and welding speed variations; the low values were 49 A and 2,4 mm.s–1 and the high values were 107 A and 4,3 mm.s–1. This study evaluated the influence of the type of electrode and the welding parameters on the microstructural evolution of heat affected and fusion zones. Also, differences were found on morphology and delta ferrite amount for all weld metals. The heat affected zone of the ferritic side showed grain coarsening and grain refinement with martensite at the grain boundaries. Tensile strength was similar for all welded joints.
Stainless steel welding; SMAW; Welding metallurgy; Austenitic stainless steel; Ferritic stainless steel
1 Introducción
Los aceros inoxidables (AI) son ampliamente usados en aplicaciones a elevadas
temperaturas cuando los aceros al carbono y los aceros de baja aleación no presentan
una adecuada resistencia a la corrosión. Los aceros inoxidables austeníticos (AIA)
tienen mejor resistencia a la corrosión que los aceros inoxidables ferríticos (AIF)
y los aceros inoxidables martensíticos por lo que son muy utilizados en industrias
como la alimenticia, química y petroquímica. Sin embargo, los AIA presentan
problemas de agrietamiento en caliente y de corrosión bajo tensión [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of
stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.
2 Duarte P, Corrêa EO, Barbedo ND, Souza PO, Gonçalves JL, Diacenco
AA. Mechanical and microstrutural characterization of weldments of ferritic
stainless steel AISI 444 using austenitic stainless steels filler metals.
Journal of ASTM International. 2012;9(2):1-9.-33 Kumaragurubaran B, Shanmugam K, Balasubramanian V, Senthilkumar T.
High temparture tensile properties of shielded metal arc welded ferrtiic
stainless Steel, India. International Journal of Material Science.
2008;3(3):229-237.].
En vista del menor contenido de aleantes y del menor costo de los AIF, éstos son una
opción viable ya que presentan una resistencia a la oxidación, para aplicaciones a
altas temperaturas, comparable con la de los grados austeníticos, además los AIF
pueden ser más resistentes al ataque del metal líquido que los AIA, por lo que son
utilizados para algunas aplicaciones en las industrias del plomo y el cobre y en
aplicaciones que involucran ciclos térmicos por su mayor conductividad térmica y su
menor coeficiente de expansión térmica [22 Duarte P, Corrêa EO, Barbedo ND, Souza PO, Gonçalves JL, Diacenco
AA. Mechanical and microstrutural characterization of weldments of ferritic
stainless steel AISI 444 using austenitic stainless steels filler metals.
Journal of ASTM International. 2012;9(2):1-9.
3 Kumaragurubaran B, Shanmugam K, Balasubramanian V, Senthilkumar T.
High temparture tensile properties of shielded metal arc welded ferrtiic
stainless Steel, India. International Journal of Material Science.
2008;3(3):229-237.-44 Olson DL, Siewert TA, Liu S, Edwards GR. ASM Handbook, Volume 6:
welding, brazing and soldering. Materials Park: ASM International;
1993.].
Existen aplicaciones de los aceros inoxidables en las cuales se requiere una
transición en propiedades, como codos de tuberías para transporte de hidrocarburos o
zonas de transición térmica en el proceso de refinación del cobre, por lo que se
hace necesario realizar soldaduras disímiles de aceros inoxidables [55 Samal MK, Seidenfuss M, Roos E, Balani K. Investigation of failure
behavior of ferritic–austenitic type of dissimilar steel welded joints.
Engineering Failure Analysis. 2011;18(3):999-1008.
http://dx.doi.org/10.1016/j.engfailanal.2010.12.011.
http://dx.doi.org/10.1016/j.engfailanal....
6 Kaçar R, Baylan O. An investigation of microstructure/property
relationships in dissimilar welds between martensitic and austenitic stainless
steels. Materials & Design. 2004;25(4):317-329.
http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2003.10.010.
http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2003....
-77 Silva CC, Miranda HC, de Sant’Ana HB, Farias JP. Austenitic and
ferritic stainless steel dissimilar weld metal evaluation for the applications
as-coating in the petroleum processing equipment. Materials & Design.
2013;47:1-8. http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2012.11.048.
http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2012....
].
Los metales sometidos a procesos de soldadura experimentan cambios en su
microestructura que dependen de los ciclos térmicos a los cuales fueron sometidos,
de las propiedades físicas de cada material y de la composición química de éstos
[88 Granjon H. Fundamentals of welding metallurgy. England: Woodhead
Publishing; 1991. 210 p.
http://dx.doi.org/10.1533/9781845698805.
http://dx.doi.org/10.1533/9781845698805...
9 Easterling K. Introduction to the physical metallurgy of welding.
UK: Butterworths and Co Ltd; 1983. 141 p.-1010 Grong O. Metallurgical modelling of welding. London: The Institute
of Materials; 1994. 532 p.]. Los AIF presentan baja soldabilidad, crecimiento de grano y
formación de fases frágiles como martensita o fase sigma, los AIA presentan buena
soldabilidad pero pueden formar precipitados, comúnmente del tipo
M23C6 que generan corrosión intragranular [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of
stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.,1111 Folkhard E. Welding metallurgy of stainless steels. New York:
Springer- Verlag Wien; 1998. 279 p.
12 Lakshminarayanan AK, Shanmugam K, Balasubramanian V. Effect of
welding processes on tensile and impact properties, hardness and microstructure
of AISI 409M ferritic stainless joints fabricated by duplex stainless steel
filler metal. Journal of Iron and Steel Research International.
2009;16(5):66-72.
http://dx.doi.org/10.1016/S1006-706X(10)60013-1.
http://dx.doi.org/10.1016/S1006-706X(10)...
-1313 Silva CC, Farias JP, Miranda HC, Guimarães RF, Menezes JWA, Neto
MAM. Microstructural characterization of the HAZ in AISI 444 ferritic stainless
steel welds. Materials Characterization. 2008;59(5):528-533.
http://dx.doi.org/10.1016/j.matchar.2007.03.011.
http://dx.doi.org/10.1016/j.matchar.2007...
].
Para las soldaduras de AI los electrodos austeníticos son comúnmente utilizados pero
su estructura final no es completamente austenítica sino que tienen un porcentaje de
ferrita δ, se ha determinado que cantidades de ferrita δ mayores al 5% disminuyen la
susceptibilidad al agrietamiento en caliente de los AIA [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of
stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.,1111 Folkhard E. Welding metallurgy of stainless steels. New York:
Springer- Verlag Wien; 1998. 279 p.,1414 Ku S. Welding metallurgy. 2. ed. USA: John Wiley & Sons; 2003.
224 p.]. Los AIA presentan cuatro modos de
solidificación que han sido estudiados desde la década del 80 principalmente por
David et al. [1515 David SA, Goodwin GM, Braski DN. Solidification behavior of
austenitic stainless steel filler metals. Welding Journal.
1978;58(11):330s-336s.,1616 David, SA. Ferrite morphology and variations in ferrite content in
austenitic stainless steel welds. Welding Journal.
1981;60(4):63s-71s.], Lippold y Savage [1717 Lippold JC, Savage WF. Solidification of austenitic stainless steel
weldments: Part 2—The effect of alloy composition on ferrite morphology. Welding
Journal. 1980;59(2):48s-58s.] y Olson [1818 Olson DL. Prediction of austenitic weld metal microstructure and
properties. Welding Journal. 1984;64(10):281-295.] por lo que es
posible establecer una relación entre la cantidad y morfología de la ferrita δ y las
propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión de las uniones. Los modos de
solidificación se dividen en tipo A donde la transformación es completamente
austenítica, tipo AF donde la transformación se da inicialmente como austenita y
posteriormente se inicia la transformación ferrítica obteniendo una estructura de
ferrita δ interdendrítica, el tipo FA en el cual la solidificación inicia como
ferrita δ y posteriormente la austenita consume a la ferrita δ por medio de una
reacción de difusión limitada. Este tipo es el más común para los AIA y produce
morfologías de ferrita δ vermicular o en listones. Finalmente está el tipo F
caracterizado por una solidificación completa como ferrita δ y una posterior
transformación ferrita δ -austenita en estado sólido, éste modo de solidificación es
característico de los aceros inoxidables dúplex y presenta morfologías de ferrita δ
acicular, globular o placas de austenita Widmanstätten [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of
stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.,1111 Folkhard E. Welding metallurgy of stainless steels. New York:
Springer- Verlag Wien; 1998. 279 p.,1414 Ku S. Welding metallurgy. 2. ed. USA: John Wiley & Sons; 2003.
224 p.,1515 David SA, Goodwin GM, Braski DN. Solidification behavior of
austenitic stainless steel filler metals. Welding Journal.
1978;58(11):330s-336s.,1919 Kaçar R. Effect of solidification mode and morphology of
microstructure on the hydrogen content of duplex stainless steel weld metal.
Materials & Design. 2004;25(1):1-9.
http://dx.doi.org/10.1016/S0261-3069(03)00169-9.
http://dx.doi.org/10.1016/S0261-3069(03)...
]. Se han realizado uniones
disímiles de AIA con AIF mediante soldadura por fricción [2020 Sathiya P, Aravindan S, Haq AN. Tensile properties of similar AISI
304 austenitic and AISI 430 ferritic stainless steels joined by friction
welding. Multidiscipline Modeling in Materials and Structures.
2008;4(2):141-154.
http://dx.doi.org/10.1163/157361108784050112.
http://dx.doi.org/10.1163/15736110878405...
,2121 Manideep D, Balachanda K. Welding parameters-metallurgical
properties correlation of friction welding of austenitic stainless steel and
ferritic stainless steel. Journal of Applied Sciences. 2012;12(10):1013-1019.
http://dx.doi.org/10.3923/jas.2012.1013.1019.
http://dx.doi.org/10.3923/jas.2012.1013....
] y soldadura por
láser [2222 Khan MMA, Romoli L, Fiaschi M, Dini G, Sarri F. Laser beam welding
of dissimilar stainless steels in a fillet joint configuration. Journal of
Materials Processing Technology. 2012;212(4):856-867.
http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2011.11.011.
http://dx.doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2...
], estos procesos involucran
cambios microestructurales diferentes a los de soldadura por arco eléctrico. En la
industria petroquímica se emplea comúnmente la soldadura SMAW para reparaciones y
debido a su fácil aplicación en campo, sin embargo, no se han desarrollado trabajos
enfocados hacia el estudio de la influencia de este proceso en uniones disímiles de
AIA con AIF, por lo tanto se hace necesario el entendimiento de la influencia de los
parámetros de soldadura y la composición química de los electrodos en los cambios
microestructurales que ocurren en la unión soldada disímil y la relación de éstos
con las propiedades mecánicas del cupón de soldadura.
2 Materiales y Métodos
Se realizaron uniones soldadas disímiles mediante el proceso SMAW a tope con bisel en “V”. Los metales base utilizados fueron acero inoxidable austenítico AISI 316L y acero inoxidable ferrítico AISI 430 comerciales, de 4 mm de espesor, y tamaños de 200 mm × 100 mm. Se utilizaron dos electrodos diferentes; AWS E2209-16 y E309L, de 3,2 mm diámetro. La unión se realizó con un solo pase y con dos condiciones de corriente y velocidad de soldadura; bajas 49 A y 2,4 mm.s–1 y altas 107 A y 4,3 mm.s–1.
La composición química de los metales de soldadura fue obtenida de la ficha técnica proporcionada por los proveedores, y la composición química de los metales base fue determinada mediante espectrometría de emisión óptica, éstas se presentan en la Tabla 1. Los parámetros controlados fueron: la corriente, la fuerza del arco y la velocidad de aplicación de la soldadura, los cálculos de entrada de calor se realizaron teniendo en cuenta un voltaje de 22 V y un factor de eficiencia de 0,75. En la Tabla 2 se presenta un promedio de los parámetros empleados en tres soldaduras para cada una de las cuatro condiciones a evaluar.
Los metales base y las uniones soldadas se caracterizaron microestructuralmente en la sección transversal por medio de microscopía óptica y de microscopía electrónica de barrido, las probetas se atacaron por inmersión en agua regia diluida, el pulido final se realizó con paño para acabado fino y alúmina de 0,3 μm.
Se obtuvieron probetas para los ensayos de resistencia a la tensión en sentido transversal al cordón de soldadura de acuerdo con la norma ASTM E8, se emplearon probetas de 2 mm de espesor, las mediciones de microdureza Vickers se realizaron con una carga de 500 g y 15 s de sostenimiento, desde el metal base ferrítico hasta el metal base austenítico, cada 0,65 mm.
La cantidad de ferrita δ en el depósito de soldadura se predijo utilizando los diagramas de Schaeffler y WRC-92. Además, se midió con un ferritoscopio marca Fischer MP30E S y empleando cuantificación de fases por análisis de imagen con el analizador NIS elements de Nikon.
3 Resultados y Discusión
3.1 Caracterización microestructural
Las convenciones que se utilizarán en este artículo para hacer referencia a las diferentes zonas de la unión soldada son: MBF significa metal base ferrítico, MBA metal base austenítico, LF-F es el límite de fusión del lado del acero inoxidable ferrítico, LF-A es el límite de fusión del lado del acero inoxidable austenítico, ZAT-F es la zona afectada térmicamente del lado del acero inoxidable ferrítico, ZAT-A es la zona afectada térmicamente del lado del acero inoxidable austenítico, ZFA es la zona de fusión con el metal de aporte austenítico y ZFD es la zona de fusión con el metal de aporte dúplex. CB significa condiciones de baja corriente y baja velocidad de soldadura, CA quiere decir condiciones de alta corriente y alta velocidad de soldadura.
En la caracterización microestructural de los metales base se observó que el MBA
contiene granos de austenita con maclas y caminos de ferrita δ orientados en la
dirección de laminación. El MBF, por su parte, está compuesto por granos de
ferrita delta y algunos precipitados dispersos en la matriz ferrítica, que
podrían ser TiN, según lo reportado por Cleiton C. Silva et al. y E. Bayraktar
et al. [77 Silva CC, Miranda HC, de Sant’Ana HB, Farias JP. Austenitic and
ferritic stainless steel dissimilar weld metal evaluation for the applications
as-coating in the petroleum processing equipment. Materials & Design.
2013;47:1-8. http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2012.11.048.
http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2012....
,2323 Bayraktar E, Chevalier JP, Kaplan D, Devillers L. Physical
understanding of ferrite grain growth during welding in interstitial free steels
(IFS) +. Arabian Journal for Science and Engineering.
2009;34(1C):115-127.].
El perfil microestructural de los cupones soldados se presenta en la Figura 1, donde se distingue en la ZAT-F una zona de grano ferrítico grueso, seguida de una zona de grano recristalizado, ambas con martensita en los límites de grano ferrítico. Se observa que las probetas obtenidas con CA, para ambos electrodos, presentan una ZAT-F de mayor extensión que las soldaduras realizadas con CB, dicha zona se delimita por la martensita que oscurece los contornos de grano y se señala con una línea blanca punteada en la Figura 1. Las cuatro condiciones soldadas presentaron zonas afectadas térmicamente con microestructuras similares que se describen a continuación.
Microestructura de las soldaduras SMAW AISI 316L - AISI 430. a) aporte E309L CA; b) aporte E309L CB; c) aporte E2209-16 CA y d) aporte E2209-16 CB.
La microestructura de ZAT-F es caracterizada por una zona de grano grueso, en la cual, el desplazamiento de los límites de grano ferríticos provoca que los granos grandes “consuman” a los granos pequeños por el aporte energético inherente al proceso de soldadura [99 Easterling K. Introduction to the physical metallurgy of welding. UK: Butterworths and Co Ltd; 1983. 141 p.], dicha zona está seguida por una zona de grano recristalizado, proveniente del proceso de recuperación y nucleación de nuevos granos además del ascenso y aniquilación de dislocaciones generadas durante el proceso de fabricación del metal base [2424 Phillips R. Cristalls, defects and microstructures: modelling across scales. UK: University of Cambridge; 2004. 780 p.]. En toda la ZAT-F se obtuvo martensita intragranular y unas pequeñas cantidades martensita intergranular, esta fase proviene de la transformación de la austenita formada a alta temperatura y su posterior enfriamiento [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.,1111 Folkhard E. Welding metallurgy of stainless steels. New York: Springer- Verlag Wien; 1998. 279 p.].
La ZAT-A presentó una microestructura compuesta por granos de austenita con
maclas sin variación perceptible de tamaño para CB y con un pequeño aumento de
tamaño de grano austenítico en la zona cercana a la raíz de las soldaduras al
emplear CA, se formó ferrita δ en los límites de grano austenítico, condición
que se extendió alrededor de dos granos austeníticos desde la línea de fusión
hacia el MBA, la formación de ferrita δ en los límites de grano restringe el
crecimiento de grano austenítico y disminuye la susceptibilidad al agrietamiento
en caliente [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of
stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.,1111 Folkhard E. Welding metallurgy of stainless steels. New York:
Springer- Verlag Wien; 1998. 279 p.,2525 Thomas RD Jr. HAZ Cracking in thick sections of austenitic stainless
steels—Part II. Welding Journal. 1984;63(12):355-368.
26 Lippold JC, Baeslack Iii WA, Varol I. Heat-affected zone liquation
cracking in austenitic and duplex stainless steels. Welding Journal.
1988;71(1):1-14.-2727 Shankar, V, Gill TPS, Mannan SL, Sundaresan S. Solidification
cracking in austenitic stainless steel welds.
2003;28(3-4):359-382.].
La microestructura de los límites de fusión y la zona afectada térmicamente fue similar para todas las condiciones evaluadas y estas se muestran en la Figura 2. El LF-A está caracterizado por dendritas de ferrita δ provenientes de metal fundido, presentes en los límites de grano austenítico del MBA. El LF-F muestra un crecimiento epitaxial de las dendritas del metal de soldadura que parten de los granos del MBF.
Las fases presentes en todos los depósitos de soldadura obtenidos fueron austenita y ferrita δ, su morfología y proporción está determinada por la composición química del electrodo y las velocidades de enfriamiento [1717 Lippold JC, Savage WF. Solidification of austenitic stainless steel weldments: Part 2—The effect of alloy composition on ferrite morphology. Welding Journal. 1980;59(2):48s-58s.,2626 Lippold JC, Baeslack Iii WA, Varol I. Heat-affected zone liquation cracking in austenitic and duplex stainless steels. Welding Journal. 1988;71(1):1-14.], por lo que al emplear dos electrodos con diferente composición y dos condiciones de corriente y velocidad de soldadura se generaron zonas de fusión con diferencias microestructurales que se detallan a continuación.
La microestructura obtenida en la ZFA está compuesta por una matriz austenítica
con ferrita δ con dos morfologías diferentes, vermicular y en listones, estas
estructuras son características del modo de solidificación FA, es decir,
ferrita-austenita. En el rango FA la solidificación inicia con la precipitación
de ferrita primaria seguida de la formación de austenita en la celda ferrítica y
el límite de la dendrita, al avanzar el enfriamiento, la ferrita se hace más
inestable y la austenita consume a la ferrita por medio de una reacción de
difusión controlada. La morfología esqueletal o vermicular se presenta debido a
velocidades de enfriamiento moderadas y relaciones
Creq/Nieq bajas, la morfología en listones se presenta
cuando las velocidades de enfriamiento son altas y la difusión durante la
transformación ferrita-austenita es restringida, donde se promueve la
transformación en forma de listones poco espaciados que genera un patrón de
ferrita residual a través de la dendrita original [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of
stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.,1616 David, SA. Ferrite morphology and variations in ferrite content in
austenitic stainless steel welds. Welding Journal.
1981;60(4):63s-71s.,1717 Lippold JC, Savage WF. Solidification of austenitic stainless steel
weldments: Part 2—The effect of alloy composition on ferrite morphology. Welding
Journal. 1980;59(2):48s-58s.,2929 Madhusudhan Reddy G, Mohandas T, Sambasiva Rao A, Satyanarayana VV.
Influence of welding processes on microstructure and mechanical properties of
dissimilar austenitic-ferritic stainless steel welds Materials and manufacturing
Processes. Materials and Manufacturing Processes. 2005;20(2):147-173.
http://dx.doi.org/10.1081/AMP-200041844.
http://dx.doi.org/10.1081/AMP-200041844...
].
En la ZFA de la soldadura realizada con CB se observa una matriz austenítica con dendritas esqueletales de ferrita δ, fase oscura, que se muestra en la Figura 3a. En el caso de la ZFA de la soldadura realizada con CA, que se presenta en la Figura 3b, se evidencia crecimiento dendrítico con ferrita δ vermicular y en listones, con morfología predominante en listones. En la ZF, cerca del MBA se observa una morfología de ferrita δ vermicular, mientras que en la ZF cerca del lado del MBF se presenta una ferrita δ en listones, estas diferencias se producen por los distintos ciclos térmicos que experimenta la soldadura en cada punto [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.,99 Easterling K. Introduction to the physical metallurgy of welding. UK: Butterworths and Co Ltd; 1983. 141 p.,1010 Grong O. Metallurgical modelling of welding. London: The Institute of Materials; 1994. 532 p.], además de las diferencias en propiedades térmicas que presentan los metales base en las soldaduras disímiles realizadas, una menor conductividad térmica MBA frente al MBF [3030 Davis, JR. ASM Speciality handbook: stainless steels. Ohio: ASM International; 1994. v. 2, p. 489-490.].
En las Figuras 3c y 3d se muestra la ZFD caracterizada por la presencia de tres tipos de microestructura, fenómeno común en el depósito de soldadura donde cada punto de la zona de fusión experimenta ciclos térmicos diferentes y por lo tanto velocidades de enfriamiento distintas. A pesar de que la ZFD presenta similitudes con CB y CA, cabe anotar que el tamaño de grano ferrítico previo formado durante la solidificación, es de mayor tamaño en las probetas soldadas con CA que con CB. Las microestucturas presentes en el depósito dúplex son:
-
Ferrita y austenita aciculares dentro de los granos previos de ferrita formados durante la solidificación y una red continua de austenita en los límites de grano de esta ferrita: Este mecanismo de solidificación se caracteriza por una microestructura completamente ferrítica al final de la solidificación, luego de que el metal se enfría por debajo de la línea de solvus de la ferrita, inicia la transformación en estado sólido de ferrita a austenita, la cantidad de austenita formada depende principalmente de las relaciones Creq/Nieq. La austenita se forma inicialmente en los límites de grano ferrítico, luego el frente de transformación rompe formando agujas de austenita dentro de la ferrita, produciendo una estructura acicular parecida a los listones de ferrita δ formados en el modo de solidificación FA, esta transformación es similar a una transformación martensítica o por desplazamiento ya que como el intervalo de temperaturas entre la línea de solidus y la línea de solvus de la ferrita es tan grande, se suavizan los gradientes composicionales por la difusión de Cromo y Níquel en esta zona generando listones de ferrita y austenita con composición similar [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.,1616 David, SA. Ferrite morphology and variations in ferrite content in austenitic stainless steel welds. Welding Journal. 1981;60(4):63s-71s.,1717 Lippold JC, Savage WF. Solidification of austenitic stainless steel weldments: Part 2—The effect of alloy composition on ferrite morphology. Welding Journal. 1980;59(2):48s-58s.,1919 Kaçar R. Effect of solidification mode and morphology of microstructure on the hydrogen content of duplex stainless steel weld metal. Materials & Design. 2004;25(1):1-9. http://dx.doi.org/10.1016/S0261-3069(03)00169-9.
http://dx.doi.org/10.1016/S0261-3069(03)... ]. -
Ferrita globular, la cual se genera por inestabilidades térmicas de los otros tipos de ferrita, principalmente la acicular y se caracteriza por ferrita delta en forma de glóbulos distribuidos aleatoriamente en una matriz de austenita [1616 David, SA. Ferrite morphology and variations in ferrite content in austenitic stainless steel welds. Welding Journal. 1981;60(4):63s-71s.].
-
Ferrita y austenita Widmanstätten dentro de los granos previos de ferrita. La solidificación se da completamente como ferrita, el inicio de la transformación ferrita-austenita ocurre en los límites de grano ferrítico, posterior a eso se nuclea la austenita en el límite de grano y se forman placas de austenita Widmanstätten, como ha sido referenciado, esta transformación no es masiva sino que obedece a una transformación difusiva [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.,1717 Lippold JC, Savage WF. Solidification of austenitic stainless steel weldments: Part 2—The effect of alloy composition on ferrite morphology. Welding Journal. 1980;59(2):48s-58s.]. Debe notarse que los granos de ferrita formados inicialmente en la ZFD con CA son de mayor tamaño que los formados en la ZFD con CB [11 Lippold JC, Kotecki DJ. Welding metallurgy and weldability of stainless steels. USA: Jhon Wiley and Sons; 2005. 357 p.,1515 David SA, Goodwin GM, Braski DN. Solidification behavior of austenitic stainless steel filler metals. Welding Journal. 1978;58(11):330s-336s.,1717 Lippold JC, Savage WF. Solidification of austenitic stainless steel weldments: Part 2—The effect of alloy composition on ferrite morphology. Welding Journal. 1980;59(2):48s-58s.,1919 Kaçar R. Effect of solidification mode and morphology of microstructure on the hydrogen content of duplex stainless steel weld metal. Materials & Design. 2004;25(1):1-9. http://dx.doi.org/10.1016/S0261-3069(03)00169-9.
http://dx.doi.org/10.1016/S0261-3069(03)... ].
3.2 Resistencia a la tensión, dureza y cantidad de ferrita delta δ
En la Tabla 3 se presentan los resultados de los ensayos de tensión, se evidencia que no existe una diferencia significativa en las propiedades tensiles de las uniones soldadas para las cuatro condiciones evaluadas y son comparables con las propiedades del AISI 430 [3030 Davis, JR. ASM Speciality handbook: stainless steels. Ohio: ASM International; 1994. v. 2, p. 489-490.]. En todos los casos la falla ocurrió en el MBF lejos de la ZAT mostrando un comportamiento dúctil similar al del acero inoxidable ferrítico AISI 430 [3030 Davis, JR. ASM Speciality handbook: stainless steels. Ohio: ASM International; 1994. v. 2, p. 489-490.]. Estos resultados indican que el crecimiento de grano ferrítico y la formación de martensita generados en la ZAT-F, no fueron factores determinantes en la falla bajo tensión de las probetas sometidas al ensayo.
En la Tabla 4 se presentan los resultados de la cantidad de ferrita δ en porcentaje y número de ferrita (FN), medidos con el ferritoscopio y con el analizador de imágenes y los calculados a través de los diagramas de Schaeffler y WRC-92. Para la predicción de la cantidad de ferrita δ mediante diagramas constitucionales se midieron los porcentajes de dilución: 20% de dilución con el electrodo dúplex y 23% de dilución con el electrodo austenítico. Se observa de la Tabla 4 que al aumentar la entrada de calor, aumenta la cantidad de ferrita delta. Se observa también que los valores medidos y los valores calculados difieren mucho unos de otros, las posibles causas de dichas diferencias se describen a continuación.
En la determinación del contenido de ferrita δ, se ha reportado que para un mismo
cordón de soldadura se obtienen variaciones locales en la cantidad de ferrita δ
[1616 David, SA. Ferrite morphology and variations in ferrite content in
austenitic stainless steel welds. Welding Journal.
1981;60(4):63s-71s.,1717 Lippold JC, Savage WF. Solidification of austenitic stainless steel
weldments: Part 2—The effect of alloy composition on ferrite morphology. Welding
Journal. 1980;59(2):48s-58s.,3131 Kotecki DJ. Ferrite determination in stainless steel welds: advances
since 1974. Welding Journal. 1996;76(1):24-37.,3232 Prasad Rao K, Prasannakumar S. Assesment criterion for variability
of delta ferrite in austenitic weld and clad metals. Welding Journal.
1984;63(7):231-236.], debido a microsegregaciones en composición producidas
por diferentes ciclos de enfriamiento o a la pérdida de elementos durante el
proceso de soldadura, por lo que la cantidad de ferrita δ del metal de soldadura
debe obtenerse de varias mediciones como lo indica la norma DIN 32514 [3333 German Institute for Standardization – DIN. DIN 32514-part 1.
Determination of ferrite number of austenitic weld metal-measure- ment method.
Düsseldorf: DIN; 1990.]. Los métodos predictivos como los
diagramas de Schaeffler y WRC-92 no toman en cuenta las velocidades de
enfriamiento que son un factor determinante en la cantidad de ferrita δ presente
en los depósitos de soldadura [1515 David SA, Goodwin GM, Braski DN. Solidification behavior of
austenitic stainless steel filler metals. Welding Journal.
1978;58(11):330s-336s.
16 David, SA. Ferrite morphology and variations in ferrite content in
austenitic stainless steel welds. Welding Journal.
1981;60(4):63s-71s.
17 Lippold JC, Savage WF. Solidification of austenitic stainless steel
weldments: Part 2—The effect of alloy composition on ferrite morphology. Welding
Journal. 1980;59(2):48s-58s.
18 Olson DL. Prediction of austenitic weld metal microstructure and
properties. Welding Journal. 1984;64(10):281-295.-1919 Kaçar R. Effect of solidification mode and morphology of
microstructure on the hydrogen content of duplex stainless steel weld metal.
Materials & Design. 2004;25(1):1-9.
http://dx.doi.org/10.1016/S0261-3069(03)00169-9.
http://dx.doi.org/10.1016/S0261-3069(03)...
,2828 Inoue H., Koseki T. Clarification of solidification behaviors in
austenitic stainless steels based on welding process. Nippon Steel Technical
Report. 2007;95:62-70.,3131 Kotecki DJ. Ferrite determination in stainless steel welds: advances
since 1974. Welding Journal. 1996;76(1):24-37.,3232 Prasad Rao K, Prasannakumar S. Assesment criterion for variability
of delta ferrite in austenitic weld and clad metals. Welding Journal.
1984;63(7):231-236.,3434 David SA, Vitek JM, Hebble TL. Effect of rapid solidification on
stainless steel weld metal microstructures and its implications on the
Schaeffler diagram. Welding Journal. 1987;66(10):289-300.
35 Esmailian M. The effect of cooling rate and austenite grain size on
the austenite to ferrite transformation temperature and different ferrite
morphologies in microalloyed steels. Iranian Journal of Materials Science &
Engineering. 2010;7(1):7-14.
36 Siewert TA, McCowan CN, Olson DL. Ferrite number prediction to 100
FN in stainless steel weld metal. Welding Journal.
1988;67(12):289-298.-3737 Valiente, M. Predictive and measurement methods for delta ferrite
determination in stainless steels. Welding research.
2012;91:113-121.], además, el diagrama de Schaeffler no
tiene en cuenta el contenido de Nitrógeno en su cálculo del Níquel equivalente,
que para el electrodo dúplex es de 0,2%. La técnica de permeabilidad magnética
(Ferritoscopio Fischer) presenta algunas limitaciones prácticas relacionadas con
las dimensiones de la muestra, por ejemplo, al usar muestras de tamaño reducido
pueden disminuir los valores de ferrita δ medidos debido al efecto de borde. En
cuanto a la determinación metalográfica, los errores en la medición del
porcentaje en volumen de ferrita δ dependen de la selección correcta del
reactivo de ataque, la habilidad del operario para distinguir entre la ferrita δ
y otras fases como carburos, nitruros o fase sigma, por lo que con esta técnica
tiende a sobreestimarse la cantidad de ferrita δ. Asunción Valiente [3737 Valiente, M. Predictive and measurement methods for delta ferrite
determination in stainless steels. Welding research.
2012;91:113-121.] no recomienda esta técnica para
depósitos de soldadura debido a la morfología irregular y delgada de la ferrita
δ [3131 Kotecki DJ. Ferrite determination in stainless steel welds: advances
since 1974. Welding Journal. 1996;76(1):24-37.,3737 Valiente, M. Predictive and measurement methods for delta ferrite
determination in stainless steels. Welding research.
2012;91:113-121.].
Es importante anotar que el valor de ferrita δ calculado con el diagrama WRC-92 se reporta en FN y no es comparable con el porcentaje de ferrita hallado con otros métodos. Autores como Shinozaki et al. [3838 Shinozaki L, Ke L, North TH. Hydrogen cracking in duplex stainless steel weld metal. Welding Journal. 1992;171(11):387s-396s.], Lilijas y Qvartof [3939 Liljas M, Qvarfort R. Influence of nitrogen on weldments in UNS S 31803. In: Proceedings of the Conference Duplex Stainless Steels 86; 1986; The Hauge, The Netherlands. The Netherlands: Nederlands Institut Voor Lastechniek; 1986. p. 244-256.] y Gill et al. [4040 Gill TPS, Dayal RK, Gnanamoorthy JB. Estimation of delta ferrite in austenitic stainless steel weldments by an electrochemical technique. Welding Journal. 1979;59(12):375s-378s.], reportan relaciones entre el FN y el porcentaje de ferrita, y aunque concuerdan que FN exagera el porcentaje de ferrita, no coinciden con la relación entre los dos [3434 David SA, Vitek JM, Hebble TL. Effect of rapid solidification on stainless steel weld metal microstructures and its implications on the Schaeffler diagram. Welding Journal. 1987;66(10):289-300.].
En la Figura 4 se presentan los perfiles de
microdureza obtenidos para las condiciones soldadas, es de resaltar que la
dureza de ZFD CB fue en promedio 296 HV, valor que sobrepasa la dureza medida
para las demás condiciones soldadas, concordando con algunos autores [66 Kaçar R, Baylan O. An investigation of microstructure/property
relationships in dissimilar welds between martensitic and austenitic stainless
steels. Materials & Design. 2004;25(4):317-329.
http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2003.10.010.
http://dx.doi.org/10.1016/j.matdes.2003....
,4141 Zumelzu E, Sepúlveda J, Ibarra M. Influence of microstructure on the
mechanical behaviour of welded 316 L SS joints. Journal of Materials Processing
Technology. 1999;94(1):36-40.
http://dx.doi.org/10.1016/S0924-0136(98)00450-6.
http://dx.doi.org/10.1016/S0924-0136(98)...
,4242 Muthupandi V, Bala Srinivasan P, Seshadri SK, Sundaresan S. Effect
of weld metal chemistry and heat input on the structure and properties of duplex
stainless steel welds. Materials Science and Engineering A. 2003;358(1-2):9-16.
http://dx.doi.org/10.1016/S0921-5093(03)00077-7.
http://dx.doi.org/10.1016/S0921-5093(03)...
] con que la cantidad
de ferrita δ no es el factor más determinante en la dureza de los depósitos de
soldadura, por lo que podría atribuirse esta mayor dureza a la morfología
acicular que predomina en esta condición de soldadura [4343 Ku S. Welding metallurgy. 2. ed. USA: John Wiley & Sons; 2003.
461 p.].
4 Conclusiones
Con base en los resultados experimentales para la unión de acero inoxidable austenítico con acero inoxidable ferrítico utilizando metales de aporte austenítico y dúplex, con baja y alta corriente y velocidad de soldadura puede concluirse que:
En la microestructura, para las condiciones evaluadas, la principal diferencia se encontró en la zona de fusión, donde las soldaduras realizadas con el metal de aporte austenítico presentaron una morfología de ferrita delta vermicular en las soldaduras realizadas con CB y morfología predominante en listones para las de CA. En el caso del depósito dúplex, se observó que en ambas condiciones de corriente y velocidad de soldadura, las microestructuras consisten de una combinación de ferrita δ acicular y en glóbulos, y austenita Widmanstätten, donde la morfología acicular fue predominante para el depósito obtenido a CB y la morfología Widmanstätten fue predominante para las soldaduras obtenidas con CA. En la ZAT-A, muy próximo a la LF-A, se evidenció la presencia de formación de ferrita δ en los límites de grano austenítico. Mientras que en la ZAT-F, la microestructura consiste de una zona de grano ferrítico grueso y una zona de grano ferrítico recristalizado, con martensita en los límites de grano ferríticos.
En relación con las propiedades mecánicas evaluadas, los dos materiales de aporte se comportaron satisfactoriamente, las propiedades tensiles en todos los casos fueron similares. Los cambios en el tamaño de grano ferrítico, la formación de martensita, la precipitación de fases y la variación en microdureza no afectaron la resistencia última a la tensión, el porcentaje de elongación y el límite de cedencia de las uniones soldadas.
Los porcentajes de ferrita δ medidos con el ferritoscopio y el analizador de imágenes, y los calculados con los diagramas de Schaeffler y WRC-92 difieren. Se recomienda adoptar el FN para referirse a cantidades de ferrita δ ya que el porcentaje de ferrita δ en volumen presenta más inexactitudes.
El electrodo austenítico AWS E309L representa una opción más económica y con similar desempeño mecánico que el electrodo dúplex AWS E2209-16 para realizar la soldadura disímil de AISI 430 y AISI 316L.
Agradecimientos
Los autores expresan sus agradecimientos al CODI de la Universidad de Antioquia por el apoyo financiero a través del proyecto MDC10-1-07 y de la estrategia de sostenibilidad 2014-2015, y a Colciencias por la beca Joven Investigador.
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Fechas de Publicación
-
Publicación en esta colección
Jan-Mar 2015
Histórico
-
Recibido
25 Set 2014 -
Acepto
16 Mar 2015