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UNIVERSIDAD NACIONAL EXPERIMENTAL POLITÉCNICA “ANTONIO JOSÉ DE SUCRE”
VICE-RECTORADO DE PUERTO ORDAZ DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA METALÚRGICA
TRABAJO DE GRADO
Autor: Juan Carlos Pereira Brito
Desarrollar parámetros del proceso de soldadura FCAW para la unión
de la boca de visita para tanques de agua cruda para la planta eléctrica
“Josefa Camejo” en la empresa Complejo Metalúrgico Cumaná S.A.
Puerto Ordaz, Diciembre de 2009
i
DEDICATORIA
A mi Dios. (Fuente infinita de apoyo, salud, amor y fortaleza)
A mi hijo y esposa Carlos Alejandro y Romina Ramírez. (Los amores de mi vida).
A mi familia en especial a Carmen de Pereira, Argenis Pereira (mis padres),
Irlenis, Rosarlenis y Argenis (mis hermanos).
A todos mis amigos gracias por su apoyo y ayuda
Juan Carlos Pereira Brito
ii
AGRADECIMIENTO
Quiero agradecer a la Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José
de Sucre” UNEXPO - Puerto Ordaz, por permitirme adquirir formación profesional y
a la empresa COMMETASA por darme la oportunidad de realizar el trabajo de grado,
dentro de sus instalaciones.
Ing. Mirriam Romero quien con la función como tutor académico, me ayudo y
oriento para la realización de este trabajo.
Ing. Ruben Briceño quien a través de su función como Tutor Industrial desempeño un
excelente trabajo y colaboración durante el desarrollo del presente trabajo de grado.
Ing. Juan Cadena, por su ayuda y excelente orientación a lo largo del desarrollo de
esta investigación.
A mis compañeros y amigos, Jesús Gutiérrez, Eudi Amaya, José Brito, Carlos
Alzolar, Oscar Cedeño, que prestaron su ayuda en la realización de esta
investigación.
Al señor Yomer Franco quien me ayudó con mi ingresó en la empresa.
A mis amigos Ramón Ramos y familia, Yeesica Rondón y familia, Nilza Marcial ,
Al soldador, Eloy Fuentes, por su infinita colaboración desde el inicio del período de
estadía en la empresa.
iii
INDICE
Página DEDICATORIA ……………………………………………….................... AGRADECIMIENTOS …………………………………………………… INDICE GENERAL ………………………………………………….......... LISTA DE FIGURAS ………………………………………….................... LISTA DE TABLAS ………………………………………………….......... RESUMEN………………………………………………………………….. INTRODUCCIÒN …………………………………………………………..
i ii iii vi
viii ix 1
CAPITULO I: EL PROBLEMA
1.1 Planteamiento del problema.………..……………………….………….. 3 1.2 Objetivos…………………………………………………………........... 1.2.1 Objetivo General…………………………………………….............
6 6
1.2.2 Objetivos Específicos………………………………………............. 7 CAPITULO II: MARCO TEÓRICO
2.1 Revisión de Literatura...……………………………………...........……. 8 2.1.1 Sustitución de Importaciones...………………………………........ 8 2.2 Bases Teóricas……...……..……………………………………............. 10 2.2.1 Camiones Komatsu 730E…….……………………...……………… 10 2.2.2 El cobre y sus aleaciones.....………………………………………… 2.2.2.A Características del cobre.……………………………………..... 2.2.2.A.1 Características químicas....…………………………............... 2.2.2.A.2 Características Físicas.……………………………………..... 2.2.2.A.3 Características Mecánicas.…...……………………................ 2.2.2.A.4 Conductividad Eléctrica...……………………………………. 2.2.2. A.5 Conductividad Térmica……………...………………………. 2.2.2. A.6 Resistencia a los agentes corrosivos.……………...………… 2.2.3 Tipos de aleaciones de aleaciones cobre...…………………………. 2.2.3.A Cobre sin alear…………………………………………............. 2.2.3.B Cobre débilmente aleado…………………………..…………… 2.2.3.B.1 Aleaciones que elevan la temperatura de recristalización…..
11 11 11 12 13 18 19 20 21 21 24 24
2.2.3. B.1.1 Aleación cobre-plata…………………………………... 24 2.2.3.B.1.2 Aleación cobre-arsenico..………………………..…….. 25 2.2.3.C Aleaciones de cobre endurecibles por envejecimiento…………... 26
iv
2.2.3. C.1 Aleaciones cobre-berilio……………….…………………… 2.2.3. D Aleaciones de fácil maquinabilidad…..……..…..…………… 2.2.3. D.1 Aleación cobre-teluro…………..………..……………….. 2.2.3. D.2 Aleación cobre-azufre...…………………….……………. 2.2.3. D.3 Aleación cobre-plomo….……………………..…............. 2.2.3. E Aleaciones de cobre para intercambiadores…..……...…… 2.2.4 Mecanismo de endurecimiento…….…………………..……….... 2.2.5 Plata………………………..………………………………….......... 2.2.5. A. Propiedades de la plata…….……………………………….. 2.2.5. B Características principales de la plata……………………… 2.2.5. C. Tipos de aleaciones de plata……………………………..… 2.2.5. C.1 Aleación plata-cobre……………………………..………. 2.2.5. C.2 Aleación plata-cobre-zinc………………………………... 2.2.5. D Aplicaciones de la plata……………………………………… 2.2.6 Proceso de Soldadura………………………………………………. 2.2.6. A Tipos de Soldadura…………………………………………….. 2.2.6. A.1 Soldadura autógena………….……………………………. 2.2.6. A.2 Soldadura Heterogénea…..…….………………………… 2.2.6. A.3 Soldadura Fuerte……...…………………………………… 2.2.6. B. Métodos de soldadura fuerte………………………………. 2.2.6. C. Aleaciones para soldadura fuerte…………………………. 2.2.6.D Instrucciones para soldadura……………………………….. 2.2.6. E Formulas de la soldadura de plata………………………..…. 2.2.7 Ingeniería en reversa…..…………………………………………… 2.2.8 Prototipo…………………………………………………………….… 2.2.8. A Propósito del prototipo…………..……………………………. 2.2.8. B Características del prototipo………………………………….. 2.2.8.C Desarrollo de los prototipos…………………………………… 2.2.8. D Estrategias para el desarrollo de prototipos…..……………. 2.2.8.E Diseño del prototipo………………………………………….. 2.2.8. F Etapas del desarrollado de prototipos………………………. 2.2.8. F.1 Identificación de requerimientos conocidos……………. 2.2.8. F.2 Revisión del prototipo…………………………………….. 2.2.8.F.3 Prototipo terminado………………………………………..
26 27 27 28 28 28 29 32 34 35 35 35 36 37 37 40 41 42 42 45 46 48 48 50 51 52 52 52 53 54 54 54 55 55
CAPITULO III: MARCO METODOLOGICO
3.1 Tipo de Investigación...……………………………………………….. 56 3.2 Diseño de la investigación……...……………….……………………. 57 3.3 Población y muestra…………..……………….……………………… 58 3.4 Técnicas de recolección de datos...…..………..………………………. 59 3.4.1Encuestas…………………………..…………….………………… 59
v
3.4.2 Observación directa……………………………………………….. 3.4.3 Revisión documental………………………………………………. 3.5 Instrumentos de Recolección…………………………………………. 3.5.1 Materiales y reactivos……………………………………………… 3.5.2 Equipos empleados………………………………………………… 3.5.3 Procedimientos……………………………………………………... CAPITULO IV: RESULTADOS Y ANALISIS. 4.1 Número de partes, especificaciones técnicas, condiciones de operación y tiempo de vida útil……………………………………………………………. 4.2 Caracterización Metalúrgica…………………………………………........ 4.2.1 Caracterización metalográfica………………………………………… 4.2.1.1 Microestructuras obtenidas mediante un microscópico óptico con analizador de imágenes……………………………………………………….. 4.2.1.1. A Microestructuras de pieza original metal base y placa……….. 4.2.1.2.B Microestructuras de pieza repuesto de metal base y placa………………………………………………….……………………… 4.2.2 Caracterización por microscopia electrónica de barrido……………… 4.2.2.1 Microestructuras obtenidas a través de un microscopio electrónico de barrido con dispersión de rayos x……………………………………………… 4.2.2.1.A. Microfotografias de pieza original…………………………....... 4.2.2.1. B Microfotografias de pieza repuesto.............................................. 4.2.3 Propiedades Mecánicas............................................................................ 4.2.3.1 Dureza................................................................................................. 4.2.3.2 Microdureza........................................................................................ 4.3 Ingeniería en reversa..................................................................................... 4.4 Desarrollo de Prototipo por proceso de fundición………………………… 4.5 Proceso de soldadura fuerte plata-cobre-cadmio………………………….. 4.6 Caracterización de propiedades físicas, químicas y metalográficas de prototipo de contacto eléctrico………………………………………………… 4.6.1 Caracterización metalográfica…………………………………………. 4.6.2 Caracterización por microscopia electrónica de barrido………………. 4.6.3 Ensayo de dureza ………………..……………………………………. 4.7 Tabla comparativa de ensayos de dureza y microdureza tanto para las piezas estudiadas como el prototipo…………………………………………. CONCLUSIONES…………………………………………………………... RECOMENDACIONES…………………………………………………….. REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS……………………………………… ANEXOS……………………………………………………………………..
59 59 59 59 60 63
74 76 76
77 78
80 80
81 84 85 85 85 86 89 90 91
91 92 94 94
96
97 99 100 101
vi
LISTA DE FIGURAS
Página
FIGURA II.1. Resiliencia del cobre puro en función de la acritud para las calidades: HC tenaz, desoxidado y OFCH…………………………………… FIGURA II.2 Influencia de la temperatura en las propiedades mecánicas del cobre ( con acritud del 40% frente al estado de recocido)…………………… FIGURA II.3. Evolución de las características mecánicas, R Y A, en función de la temperatura para el cobre HC tenaz con 35% acritud….............. FIGURA II.4. Temperatura de recristalización del cobre en función de los elementos de aleación y la cantidad de adición……………………................. FIGURA II.5. Curvas de recocido del cobre con acritud. Influencia de la adición de plata………………………………………………………………. FIGURA II.6 Influencia de las adiciones sobre la conductividad del cobre recocido……………………………………………………………………….. FIGURA II.7. Influencia de los elementos de aleación sobre las características mecánicas para el recocido y 100% acritud…………………... FIGURA II.8. Diagrama de equilibrio para el sistema cobre-plata…….......... FIGURA II.9. Típicas herramientas utilizadas en la soldadura fuerte por soplete: a) oxiacetileno. b) Gas natural y oxipropano……………………………….. FIGURA III.10. Pieza sometida a estudio……………………………… FIGURA III.11. Equipos varios………………………………………… FIGURA III.12. Campana………………………………………………… FIGURA III.13. Desbastadora automática giratoria……………………… FIGURA III.14. Desbastadora Manual…………………………………… FIGURA III.15. Pulido grueso…………………………………………… FIGURA III.16. Pulido fino……………………………………………… FIGURA III.17. Microscopio óptico electrónico con analizador de imágenes…………………………………………………………………… FIGURA III.18 . Máquina para ensayo de dureza………………………… FIGURA III.19. Maquina para ensayo de microdureza………………........... FIGURA III.20. Microscopio electrónico de barrido con cámara de vació y dispersión de rayos x……………………………………………………….. FIGURA III.21. Máquina mezcladora……………………………………… FIGURA III.22. Horno de Combustión……………………………………… FIGURA III.23. Flujograma del procedimiento empleado………………… FIGURA III.24. Corte de las piezas. A) Piezas en estudio. B) pieza prototipo……………………………………………………………………… FIGURA III.25. Pieza pulida con superficie especular…………………....... FIGURA III.26. Probetas para ensayo de dureza. A) Pieza Original. B) Pieza repuesto…………………………………………………………
15
16
17
18
25
31
32 36
45 58 60 60 60 60 61 61
61 61 62
62 62 62 63
64 65
67 67
vii
FIGURA III.27. Probeta empleada para ensayo de microdureza…………… FIGURA III.28. Maquina mezcladora para preparar la arena de moldeo…… FIGURA III.29. Moldeo del modelo. A) Apisonamiento de la arena. B) Desmoldeo del modelo………………………………………………………. FIGURA III.30 Sistema de alimentación y sus canales…………………… FIGURA III.31 Vaciado del metal. A) En el crisol. B) En el molde……… FIGURA IV.32 Vista transversal de las probetas para ensayo metalográfico……………………………………………………………….. FIGURA IV.33 Microestructuras de pieza original de contacto eléctrico, atacado químicamente con una solución de acido férrico. A una magnificación de A) 100X. B) 300X. C)1000X………………………….. FIGURA IV.34 Microestructuras de placa de la pieza original de contacto eléctrico, atacado químicamente con una solución de acido férrico. A una magnificación de A) 100X. B) 300X. C) 1000X para la zona 2…………… FIGURA IV.35 Microestructuras de pieza repuesto de contacto eléctrico, atacado químicamente con una solución de acido férrico. A una magnificación de A) 100X. B) 300X. C) 1000X…………………….............. FIGURA IV.36 Microestructuras de la placa para pieza repuesto de contacto eléctrico, atacado químicamente con una solución de acido férrico. A una magnificación de A) 100X. B) 300X. C) 1000X para la zona1…………… FIGURA IV.37 Microfotografias de pieza original a 100X MEB………… FIGURA IV.38 Microfotografias de la placa de pieza original a 100X MEB……………………………………………………………….. FIGURA IV. 39 Microfotografias de placa de pieza repuesto a 100X MEB.................................................................................................. FIGURA IV. 40 Planos de Contacto electricotrico......................................... FIGURA IV.41 Plano de modelo para fundición............................................ FIGURA IV.42 Pieza de moldeo empleada en el proceso de fundición… FIGURA IV.43. Pieza obtenida por fundición……………………………….. FIGURA IV. 44. Prototipo final de contacto eléctrico………………………. FIGURA IV.45. Microestructura de prototipo de cobre refinado sin ataque. A) Magnificación a 100X. B) Magnificación a 500X………………………. FIGURA IV.46. Microestructura de prototipo (placa de plata-cobre-cadmio) sin ataque. A) Magnificación a 100X. B) Magnificación a 500X………….. FIGURA IV.47. Microestructura de la zona 2 de la placa de plata-cobre-cadmio sin ataque. A) Magnificación a 100X. B) Magnificación a 500X….. FIGURA IV.48. Microfotografia de prototipo de MEB. A) Espectro 1. B) Espectro 2. C) Espectro 3..........................................................................
70
70 71 72
76 77 76 77 78 79 80 81
83 85
87 88 89 90 90 91
92 92 93
viii
LISTA DE TABLAS.
Página
TABLA II.1. Características físicas del cobre……..…………………….. TABLA II.2. Conductividades eléctricas y térmicas relativas de los diferentes metales con respecto al cobre………………………………… TABLA II.3. Propiedades Físicas de la plata……...……………………... TABLA II.4 Tipos de soldadura……...…………………………………….. TABLA II.5. Tipos de aleaciones para soldadura plata-cadmio………………………………………………………………………… TABLA II.6. Tipos de aleaciones para soldadura de plata sin cadmio.................................................................................................... TABLA IV.7. Especificaciones técnicas de la muestras estudiadas según C.V.G Ferrominera Orinoco C.A…………………………………… TABLA IV.8 . Resultados de ensayo de dureza de muestras estudiadas …………………………………………..……………………….. TABLA IV.9. Resultados de ensayo de microdureza de muestras estudiadas……………………………………………………………………. TABLA IV.10. Sobremedida para las dimensiones del modelo para fundición……………………………………………………………………… TABLA IV.11. Resultados de dureza para prototipo…………………… TABLA IV.12 Resultados de microdureza para plaza de pieza prototipo………………………………………………………………………. TABLA IV.13 Tabla comparativa de ensayos de dureza……………….. TABLA IV.14 Tabla comparativa de ensayos de microdureza…………
13
19 34 41
49
49
75
85
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88 94
94 94 95
ix
Pereira Brito, Juan Carlos. (2009). “Desarrollar los parámetros del proceso de
soldadura FCAW para la unión de la boca de visita para tanques de agua cruda para la
planta eléctrica “Josefa Camejo” en la empresa Complejo Metalúrgico Cumaná S.A”.
Trabajo de Grado. Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de
Sucre”. Vice-rectorado Puerto Ordaz. Departamento de Ingeniería Metalúrgica. Tutor
Académico: Ing. Miriam Romero. Tutor Industrial: Ing. Rubén Briceño.
RESUMEN
La presente investigación fue realizada en la Gerencia de Producción de la empresa
COMMETASA. El estudio estuvo enmarcado en una investigación experimental. Para
la misma se emplearon cupones soldados con los procesos de soldadura MIG y FCAW
de las cuales se extrajeron muestras a estudiar. Se planteó como Objetivo General:
Desarrollar los parámetros del proceso de soldadura FCAW para la unión de la boca de
visita para tanques de agua cruda para la planta eléctrica “Josefa Camejo” en la
empresa COMMETASA. La metodología empleada consistió de ensayos
metalográfico, ensayos no destructivos, ensayos de fractura y ensayo de dureza, a los
cupones soldados con MIG y FCAW, con la finalidad de obtener parámetros de
soldadura FCAW que genere una unión soldada aceptable para la fabricación de las
bocas de visita. Una vez soldados los cupones se obtuvieron combinaciones de
estructuras de granos gruesos y finos como resultado de la elevada temperatura de
transición. Los resultados de dureza en el ZAT y en el cordón de soldadura para el
proceso de soldadura FCAW fueron de 91 RHB y 28,8 RHC respectivamente, los
cuales están dentro de los parámetros aceptables en comparación con los parámetros
del proceso de soldadura MIG que fueron de 85,8 RHB y 24,8 RHC.
Palabras Claves: Soldadura MIG, Soldadura FCAW, boca de visita.
1
INTRODUCCIÓN
La empresa Complejo Metalúrgico de Cumaná S.A. (COMMETASA ), es una
empresa dedicada a la fabricación de estructuras metálicas y uniones en tuberías, de
comercialización nacional e internacional. La empresa utiliza diferentes procesos de
soldadura, para lo cual es necesario mantener un estricto control de calidad en sus
procesos, con el fin de lograr un incremento en sus niveles de producción y
minimizar costos operativos a la hora de elaborar las uniones soldadas cumpliendo
con las especificaciones del cliente.
Las boca de visita de pared de 24” (N54) para tanques de agua cruda (T-5201A y T-
5201B), Para la plata eléctrica “Josefa Camejo” se fabricaba mediante el proceso de
soldadura Metal Inerte Gas (MIG), en vista que la transferencia del metal fundido al
metal base para el proceso MIG es en forma globular esta trabaja a valores bajos de
voltaje y amperaje, mientras que el proceso de soldadura FCAW hace la transferencia
del metal liquido en forma de spray lo cual se emplea a valores altos de voltaje y
amperaje. Por lo que se pretende adoptar el proceso de soldadura FCAW para el
armado de las piezas, según recomendaciones tanto del departamento de ingeniería de
PDVSA como el departamento de Control de Calidad de COMMETASA, para así
minimizar la posible aparición del defectote falta de fusión y garantizar una mayor
penetración en la unión soldada.
La gerencia de producción de la planta se ha visto en la necesidad de realizar la
investigación que lleva por nombre: Desarrollar los parámetros del proceso de
soldadura FCAW para la unión de la boca de visita para tanques de agua cruda para
la planta eléctrica “Josefa Camejo” en la empresa COMMETASA., puesto que el
proceso de soldadura antes mencionado presenta una alta frecuencia en la generación
de defectos, teniendo que hacer reparaciones frecuentes, lo cual origina gastos extras
y por consiguiente, perdidas en la producción.
2
La presente investigación le permite a la gerencia de producción realizar una
evaluación en la aplicación del proceso FCAW para la elaboración de las boca de
visita de pared de 24” (N54) para tanques de agua cruda (T-5201A y T-5201B) y
determinar las condiciones y parámetros para la sustitución del proceso MIG por el
proceso FCAW, en función de mejorar y garantizar una buena unión soldada,
determinar otros factores que inciden en la aparición de estos defectos, para así poder
determinar la influencia que tienen cada uno de los parámetros y procedimientos de
soldadura en el cordón de soldadura, de manera que se pueda minimizar o eliminar
dichos defectos y por tanto una disminución en los costos de operación. Es por ello,
que una vez establecido los parámetros y características técnicas, se realizaron los
ensayos según la norma ASTM y AWS a fin de verificar si cumplen con los
requisitos y metas establecidas.
A continuación, se presenta la estructura del trabajo: Capítulo I: Se plantea el
problema, la cual se fundamenta en la importancia del estudio realizado. Capítulo II:
Se realiza una revisión bibliográfica sobre el tema estudiado. Capítulo III: Se expone
una descripción detallada de la metodología aplicada para la realización de este
estudio. Capítulo IV: Se presenta los resultados y sus respectivos análisis.
Finalmente, se presentan las conclusiones, recomendaciones y bibliografía.
3
CAPÍTULO I
EL PROBLEMA
1.1 Formulación del problema.
Antecedentes. La empresa Complejo Metalúrgico de Cumaná S.A. (COMMETASA) ubicada en la
zona industrial el Peñón, fabrica estructuras metálicas y uniones en tuberías, de
comercialización nacional e internacional, distribuidas en dos plantas con una
Capacidad de Producción: 50.000 Horas/Hombre al mes en un solo turno de trabajo,
con un Área Total: 120.138 M2, Área de Talleres 18.500 M2, Área de Oficinas
1.200 M2, Edificio en Construcción 1.060 M2, Área Descubierta 100.036
M2, Yard (Asociado) 40.000 M2.
Actualmente, la empresa COMMETASA esta realizando la fabricación de dos
tanques de almacenamiento de agua cruda para la empresa termoeléctrica “Josefa
Camejo”. Estos tanques están constituidos por varios componentes tales como: boca
de visita, sumideros, paredes del tanque y tuberías. La boca de visita consta de la
unión de dos conjuntos que son el cuello de boquilla y una brida de agujeros de 7/8”.
Estas uniones de las boca de visita de pared de 24” (N54) para tanques de agua cruda
(T-5201A y T-5201B) eran elaboradas mediante el procesos de soldadura MIG, y
actualmente se realiza bajo el proceso de soldadura FCAW a solicitud del cliente para
evitar la aparición del defecto de falta de fusión generada por el proceso de soldadura
MIG debido a que trabaja a bajo voltaje, mientras que el proceso de soldadura FCAW
tiene rangos mas elevados en los parámetros de voltaje y Amperaje. El cambio de
proceso de soldadura MIG por el FCAW presentan una serie de modificaciones en
cuanto a sus características, no sólo por el hecho de utilizar este procesos de
soldadura, sino porque es necesario darle las propiedades mecánicas exigidas por el
4
cliente para cada estructura. Los procesos de soldadura, actúan de manera tal que su
comportamiento en las propiedades de la unión soldada podría no ser igual, para ello
debemos analizar el proceso en función de determinar las condiciones y parámetros
óptimos para el proceso MIG y el proceso FCAW, se plantea entonces hacer un
estudio para determinar los parámetros recomendados y que cumplan con los
requerimientos mínimos exigidos por el cliente y evitar las fallas generadas por el
proceso de soldadura MIG.
El proceso de soldadura metal sólido con protección gaseosa MIG está definido como
un proceso, de soldadura, donde la fusión, se produce debido al arco eléctrico, que se
forma entre un electrodo (alambre continuo) y la pieza a soldar. La protección se
obtiene a través de un gas, que es suministrado en forma externa y su composición es
de 25% de CO2 y 75% de Ar.
La soldadura por arco eléctrico con alambres tubulares (FCAW) es un proceso de
soldadura que utiliza un arco entre un electrodo continuo metálico y la pileta de
soldadura. El proceso puede tener una protección proveniente de un fundente
contenido en el interior del electrodo tubular, con o sin protección adicional
proveniente de una fuente externa de gas, y sin la aplicación de presión.
Los valores de las propiedades mecánicas con el proceso de soldadura FCAW para
los diferentes parámetros pueden estar entre valores aceptables y no difieren
considerablemente de los valores con el proceso MIG, por lo que es posible sustituir
el proceso de soldadura MIG por el proceso FCAW, por lo tanto en éste trabajo se
pretende dar respuesta a la siguiente situación: Desarrollo de los parámetros del
proceso de soldadura FCAW para la unión de la boca de visita para tanques de agua
cruda para la planta eléctrica “Josefa Camejo” en la empresa COMMETASA, puesto
que se considera que los parámetros y procedimientos mejorados garantice el
5
cumplimiento de las normas, un aumento en la productividad y la satisfacción del
cliente.
Justificación.
Con la realización de este estudio se pretende optimizar el proceso productivo de la
empresa COMMETASA implementando el proceso FCAW, esto con el objetivo de
lograr un diseño en los parámetros de soldadura que cumpla con las propiedades
requeridas por el cliente, de acuerdo con las normas y requisitos exigidos, para así
hacer la evaluación, verificación de su rendimiento y por lo tanto, dar cumplimiento a
el problema planteado.
Alcance.
Esta investigación se basa en el estudio de los parámetros del proceso de soldadura
denominado Flux Cored (FCAW) empleado en juntas metálicas soldadas de las boca
de visita de pared de 24” (N54) para tanques de agua cruda (T-5201A y T-5201B),
por medio de la comparación de dos muestras: una pieza soldada por el `proceso de
soldadura MIG y la otra pieza soldada por el proceso de soldadura FCAW, los cuales
son usados como procesos importantes en la elaboración de juntas soldadas en la
empresa Complejo Metalúrgico de Cumaná (COMMETASA).
Limitación.
La gerencia de producción y de aseguramiento de la calidad de la empresa
COMMETASA no dispone de un laboratorio para realizar los ensayos, lo cual
corresponde a ensayos de dureza, microscopio para la evaluación de la
microestructura, solo se dispone de prueba de fractura y tinte penetrante para la
evaluación visual.
6
1.2 Objetivos de la Investigación
1.2.1 Objetivos General
Desarrollar los parámetros del proceso de soldadura FCAW para la unión de la boca
de visita para tanques de agua cruda para la planta eléctrica “Josefa Camejo” en la
empresa COMMETASA.
1.2.2 Objetivos Específicos
1.2.2.1 Caracterizar el metal base para la soldadura de la boca de visita del
tanque de agua cruda, a través de ensayos químicos, metalúrgicos y
mecánicos.
1.2.2.2 Establecer los parámetros de la especificación del procedimiento para
el proceso de soldadura FCAW mediante el estudio de las variables
(operación, especificaciones técnicas).
1.2.2.3 Evaluar las uniones soldadas mediante el proceso MIG y FCAW, a
través de ensayos no destructivos (Inspección visual y líquidos penetrantes),
análisis metalográfico, macroataque, ensayo de dureza y de fractura, para su
estudio metalúrgico-mecánico.
1.2.2.4 Correlacionar las propiedades mecánicas y metalúrgicas de las juntas
obtenidas mediante los procesos de soldadura MIG y FCAW sometidos a
estudio.
7
CAPÍTULO II
MARCO TEÓRICO
En el presente capitulo se exponen la revisión de literatura, las bases teóricas, las
variables o sistemas de variables y las hipótesis o preguntas.
2.1 ANTECEDENTES.
2.1.1 Sustitución de los procesos de soldadura.
La empresa Complejo Metalúrgico de Cumaná S.A. (COMMETASA), con el
propósito de mejorar e innovar los criterios de aplicación de los diferentes procesos
de soldadura, cuyas metas son garantizar una buena unión soldada, cumpliendo con
las normas en cada proceso para así cumplir con los requerimientos del cliente.
La empresa Complejo Metalúrgico de Cumaná S.A. (COMMETASA) ha
desarrollado un Plan estratégico para la Sustitución selectiva de los procesos de
soldadura, que permitirá la mejora continua en el proceso productivo, en las técnicas
de soldadura y en los tipos de procedimientos de soldaduras a utilizar, con ejecución
en el corto, mediano y largo plazo.
Con el objetivo de introducir mejoras en el proceso de sustitución selectiva de
procesos de soldadura por el complejo metalúrgico Cumaná (COMMETASA) –
Gerencia de producción y Aseguramiento de la calidad, se ha comenzado a realizar
una serie de trabajos e investigaciones, dentro de los cuales no tenemos antecedentes
en la empresa.
8
2.2 Bases Teóricas.
2.2.1 Aceros
El acero es la aleación de hierro y carbono, donde el carbono no supera el 2,1% en
peso de la composición de la aleación, alcanzando normalmente porcentajes entre el
0,2% y el 0,3%. Porcentajes mayores que el 2,0% de carbono dan lugar a las
fundiciones, aleaciones que al ser quebradizas y no poderse forjar, a diferencia de los
aceros, se moldean.
2.2.2 Diagrama Hierro-Carbono
Las fases y sus constituyentes que se encuentra en el diagrama del hierro carburo de
hierro. Las fases que pueden encontrarse en condiciones de equilibrio son las
líquidas, hierro ð, hierro γ y cementita. La fase líquida puede consistir en cualquier
combinación de hierro y carburo, dentro de los límites de composición del diagrama.
La cementita o carburo de hierro (Fe3C), es un compuesto químico de hierro y
carbono que tiene 6.7 por ciento de este último elemento. Es uno de los componentes
del sistema y, como tal, limita la cantidad de carbono que puede estar presente (100
por ciento de cementita equivale a 6.7 por ciento de carbono). La cementita es una
fase extremadamente dura y frágil de una estructura cristalina compleja; no disuelve
cualquier cantidad mensurable de carbono. El otro componente del diagrama, el
hiero, existe e dos alótropos sólidos o formas definidas de cristal. El hierro alfa, que
es el alótropo a la temperatura ambiente, tiene una estructura cúbica centrada en el
cuerpo, que se conoce también con el nombre de ferrita y constituye una fase suave y
dúctil. El hierro gamma, o austenita tiene una estructura cúbica centrada en las caras
y a veces se considera que es menos dúctil y ligeramente más dura que la ferrita,
aunque, en realidad, no puede efectuarse una comparación verdadera. El hierro gama
existe a temperaturas superiores a las que se encuentra el hierro alfa. Ambos tipos de
hierro disuelven al carbono y los símbolos ð y γ se usan para representar, tanto al
9
hierro puro, como a las soluciones sólidas de carbono en el hierro. Es conveniente
hacer notar que, aunque el hierro gamma contiene hasta 2.0 por ciento de carbono, el
hierro alfa puede disolver sólo 0.03 por ciento de carbono como se muestra en la Fig
II.1 .
Fig II. 1. Diagrama Fe - C.
10
CURVAS TTT PARA TRATAMIENTOS ISOTÉRMICOS Y DE
ENFRIAMIENTO CONTINUO.
2.2.3. Curvas TTT para transformación isotérmica.
Se denomina curva TTT al diagrama que relaciona el tiempo y la temperatura
requeridos para una transformación isotérmica. Así por ejemplo, en el caso del acero,
y más específicamente en el de la austenita, que es inestable debajo de la temperatura
crítica, se necesita saber cuanto tiempo requerirá para empezar a transformarse a una
temperatura subcrítica específica, cuanto tiempo precisará para estar completamente
trasformada y cual será la naturaleza del producto de esta transformación.
El diagrama TTT más simple es el del acero eutectoide, al carbono, (SAE-1080), ya
que no hay constituyentes proeutectoides en la microestructura.
En cambio, cuando se trata térmicamente un acero hipoeutectoide, por ejemplo un
SAE-1045, se debe agregar una línea adicional que señala el inicio de la
transformación con la formación de ferrita proeutectoide, análogamente, en el caso de
un acero hipereutectoide la línea adicional indica el inicio de la precipitación de
cementita proeutectoide.
La Fig. II. 2, muestra las curvas TTT para un acero al carbono con 0,4% de C. Bajo
550 °C la curva de inicio de formación de la ferrita se confunde con el inicio de la
transformación bainítica, además a estas temperaturas no se produce ferrita
proeutectoide, sino que solamente bainita.
Como la ferrita, la perlita y la bainita superior nuclean en los bordes de grano de la
austenita, el número de núcleos de estos constituyentes que se forman por segundo en
una muestra es proporcional al tamaño de grano. Así, en un acero de grano fino a una
temperatura dada y para una fracción cualquiera de austenita la transformación
tomará menos tiempo que en un acero de grano grueso. De este modo, un tamaño de
11
grano más fino desplazará las curvas TTT hacia la izquierda, es decir, hacia tiempos
de transformación menores.
Por la variedad ya apuntada y por su disponibilidad, sus dos elementos primordiales
abundan en la naturaleza facilitando su producción en cantidades industriales, los
aceros son las aleaciones más utilizadas en la construcción de maquinaria,
herramientas, edificios y obras públicas, habiendo contribuido al alto nivel de
desarrollo tecnológico de las sociedades industrializadas. Sin embargo, en ciertos
sectores, como la construcción aeronáutica, el acero apenas se utiliza debido a que es
un material muy denso, casi tres veces más denso que el aluminio (7850 kg/m³ de
densidad frente a los 2700 kg/m³ del aluminio).
Fig II. 2. Diagrama curvas TTT.
12
La definición anterior, sin embargo, se circunscribe a los aceros al carbono en los que
éste último es el único aleante o los demás presentes lo están en cantidades muy
pequeñas pues de hecho existen multitud de tipos de acero con composiciones muy
diversas que reciben denominaciones específicas en virtud ya sea de los elementos
que predominan en su composición (aceros al silicio), de su susceptibilidad a ciertos
tratamientos (aceros de cementación), de alguna característica potenciada (aceros
inoxidables) e incluso en función de su uso (aceros estructurales). Usualmente estas
aleaciones de hierro se engloban bajo la denominación genérica de aceros especiales,
razón por la que aquí se ha adoptado la definición de los comunes o "al carbono" que
amén de ser los primeros fabricados y los más empleados, sirvieron de base para los
demás. Esta gran variedad de aceros llevó a Siemens a definir el acero como un
compuesto de hierro y otra sustancia que incrementa su resistencia.
2.2.3.1. Acero estructural.
Es el material estructural más usado para construcción de estructuras en el mundo. Es
fundamentalmente una aleación de hierro (mínimo 98 %), con contenidos de carbono
menores del 1 % y otras pequeñas cantidades de minerales como manganeso, para
mejorar su resistencia, y fósforo, azufre, sílice y vanadio para mejorar su soldabilidad
y resistencia a la intemperie. Es un material usado para la construcción de estructuras,
de gran resistencia, producido a partir de materiales muy abundantes en la naturaleza.
Entre sus ventajas está la gran resistencia a tensión y compresión y el costo
razonable.
Solo a partir de 1991 con la Apertura Económica se han empezado a construir, de
nuevo, edificios con perfilaría de acero de alto peso, los cuales se habían dejado de
construir en el país en los años sesenta.
13
La industria de la construcción ha desarrollado diferentes formas de secciones y tipos
de acero (Fig. II. 3) que se adaptan más eficientemente a las necesidades de la
construcción de edificios.
Las aplicaciones comunes del acero estructural en la construcción incluyen perfiles
estructurales de secciones: I, H, L, T, 0, usadas en edificios e instalaciones para
industrias; cables para puentes colgantes, atirantados y concreto preesforzado;
varillas y mallas electrosoldadas para el concreto reforzado; láminas plegadas usadas
para techos y pisos.
Como el acero tiene propiedades prácticamente idénticas a tensión y compresión, por
ello su resistencia se controla mediante el ensayo de probetas pequeñas a tensión. Los
elementos de acero pueden unirse fácilmente, mediante soldadura, pernos o
remaches.
Fig. II. 3. Secciones comerciales del acero estructural, tomado de White, ref. 18
14
La “fatiga” puede reducir la resistencia del acero a largo plazo, cuando se lo somete a
gran número de cambios de esfuerzos y aún fallarlo frágilmente, por lo que en estos
casos deben limitarse los esfuerzos máximos. El acero más comúnmente usado es el
denominado A-36, que tiene un punto fluencia de 36000 psi (2530 kgf/cm2), aunque
modernamente la tendencia es hacia un acero de resistencia superior, el A-572 de
punto de fluencia de 50.000 psi.
Las características estructurales del acero estructural tipo A-36 se pueden apreciar en
las curvas “esfuerzo-deformación unitaria” a tensión, mostradas. En ella se muestran,
también, los aceros estructurales A572 y A-36.
Fig. II. 4. Curvas esfuerzo-deformación en aceros estructurales, adaptada de White,
ref. 18
15
En la Fig. II. 4, se pueden ver varias zonas:
Un comportamiento elástico hasta un esfuerzo alto. Se aplican las relaciones lineales
entre el esfuerzo y la deformación, definidas por la Teoría de la Elasticidad. Los
parámetros básicos son el Esfuerzo de Fluencia (fy) y la deformación unitaria de
fluencia (Ey).
Una zona de comportamiento plástico, en la cual el esfuerzo permanece
prácticamente constante, pero aumenta continuamente la deformación unitaria.
Un punto de falla o de ruptura. La deformación unitaria en la falla es de 0,20 (curva
inferior de la figura) para el acero estructural usado corrientemente en la construcción
de estructuras.
Los aceros de "alta resistencia" como los usados para los cables de preesforzado y
aceros especiales, no presentan la fluencia definida que se muestra en la figura para
los aceros tipo A-36, ni tienen el grado de ductilidad del acero estructural. En ellos,
el esfuerzo de fluencia no se presenta tan claro como en el tipo A-36 y debe definirse.
El acero para preesforzado tiene la resistencia más alta de las mostradas: fpu = 240 ksi
(240.000 psi = 17.500 kgf/cm2). Su comportamiento puede compararse con el de los
plásticos reforzados con fibras (FRP).
La deformación del acero a partir de la fluencia es denominada ductilidad. Esta es
una cualidad muy importante en el acero como material estructural y es la base de los
métodos de diseño plástico. Permite, que la estructura absorba grandes cantidades de
energía por deformación, circunstancia muy importante en zonas sísmicas, en las
cuales es necesario que la estructura libere la energía introducida en su base por los
terremotos.
El Módulo de Elasticidad es prácticamente independiente del tipo de acero está
alrededor de 2000000 kgf/cm2.
16
2.2.4. Soldadura
El origen de la soldadura como tecnología para la unión de materiales metálicos se
remonta hasta la Edad de Bronce, donde se encuentran los primeros vestigios de
procesos de soldadura utilizados para fines ornamentales. En la Edad de Hierro se
han encontrado piezas de hierro forjado que habrían sido unidas calentándolas y
martillándolas juntas, desarrollándose así la soldadura por forjado. En la Edad Media
la soldadura en fase sólida se utilizaba para reducir el mineral de hierro a hierro
metálico sin necesidad de fundirlo.
La soldadura es un proceso de fabricación en donde se realiza la unión de dos
materiales, (generalmente metales o termoplásticos), usualmente logrado a través de
la coalescencia (fusión), en la cual las piezas son soldadas fundiendo ambas y
agregando un material de relleno fundido (metal o plástico), el cual tiene un punto de
fusión menor al de la pieza a soldar, para conseguir un baño de material fundido (el
baño de soldadura) que, al enfriarse, se convierte en una unión fija. A veces la
presión es usada conjuntamente con el calor, o por sí misma, para producir la
soldadura. Esto está en contraste con la soldadura blanda (en inglés soldering) y la
soldadura fuerte (en inglés brazing), que implican el derretimiento de un material de
bajo punto de fusión entre piezas de trabajo para formar un enlace entre ellos, sin
fundir las piezas de trabajo.
Sin embargo el problema de unir chapa fue solucionado por la soldadura por fusión,
en la cual una fuente de calor suficientemente intensa como para fundir los bordes de
ambas chapas a unir es desplazada a lo largo de la junta. Fuentes de calor
suficientemente intensas estuvieron disponibles a escala industrial recién al final del
siglo XIX, cuando hicieron su aparición la soldadura oxi-gas, la soldadura por arco
eléctrico y la soldadura por resistencia.
17
La soldadura por arco eléctrico con electrodo consumible, el más importante de los
procesos de soldadura por fusión, es más complejo que los otros por lo que su
desarrollo se produjo con mayor lentitud. Inicialmente se utilizaron electrodos de
alambre desnudo pero el metal de soldadura resultante contenía alto nitrógeno que le
confería fragilidad. Recubriendo el alambre con asbestos o papel se mejoraron las
propiedades de los depósitos soldados.
La factibilidad de este proceso surge del descubrimiento de Sir Humphry Davy, en
1809, según el cual la electricidad puede ser conducida a través del aire entre dos
electrodos de carbono (grafito) conformando lo que hoy conocemos como descarga
gaseosa. Posteriormente en 1885, Bernados y Olszewski patentaron un proceso donde
era posible reproducir este fenómeno entre un electrodo de carbono y una pieza
metálica. Como consecuencia del calor generado se logra una fusión localizada que
puede ser utilizada para unir piezas. Se encontró necesario aportar metal adicional
para llenar el hueco existente entre las dos chapas a unir a través de una varilla
hundida dentro de la pileta líquida.
Fig. II. 5. Se puede ver una reproducción de un antiguo grabado en madera de un
taller de soldadura eléctrica de 1887. Fuente:
18
Existen varias clasificaciones de proceso de soldadura pero en las mas comunes
tenemos: la Soldadura manual de metal por arco, ahora uno de los más populares
métodos de soldadura, así como procesos semiautomáticos y automáticos tales como
Soldadura GMAW (MIG/MAG), soldadura de arco sumergido (SAW), soldadura de
arco con núcleo de fundente (FCAW) y soldadura por electroescoria.
2.2.4.1. Proceso MIG
Metal Inerte Gas.
Este sistema esta definido por la AWS como un proceso de soldadura al arco, donde
la fusión se produce por calentamiento con un arco entre un electrodo de metal de
aporte continuo y la pieza, donde la protección del arco se obtiene de un gas
suministrado en forma externa, el cual protege de la contaminación atmosférica y
ayuda a estabilizar el arco.
El proceso MIG/MAG está definido como un proceso, de soldadura, donde la fusión,
se produce debido al arco eléctrico, que se forma entre un electrodo (alambre
continuo) y la pieza a soldar. La protección se obtiene a través de un gas, que es
suministrado en forma externa. El proceso puede ser:
Semiautomático
La tensión de arco (voltaje), velocidad de alimentación del alambre, intensidad de
corriente (amperaje) y flujo de gas se regulan previamente. El arrastre de la pistola de
soldadura se realiza manualmente.
Automático
Todos los parámetros, incluso la velocidad de soldadura, se regulan previamente, y se
aplican en forma automática.
19
Robotizado
Este proceso de soldadura, se puede robotizar a escala industrial. En este caso, todos
los parámetros y las coordenadas de localización de la unión a soldar; se programan
mediante una unidad específica para este fin. La soldadura la realiza un robot al
ejecutar la programación.
Condiciones operacionales
El comportamiento del arco, el tipo de transferencia del metal a través del mismo, la
penetración, forma del cordón, etc., están condicionados por una serie de parámetros
entre los que se destacan:
Polaridad
Afecta al tipo de transferencia, penetración, velocidad de fusión del alambre, etc.
Normalmente, se trabaja con polaridad inversa (DC +).
Tensión de arco (Voltaje)
Este parámetro puede regularse a voluntad desde la maquina soldadora y resulta
determinante, en el tipo de transferencia
Velocidad de alimentación del alambre
En este proceso no se regula previamente, la intensidad de corriente (amperaje), sino
que ésta, por el fenómeno de autorregulación, resulta de la velocidad impuesta al
alambre.
Naturaleza del metal base
Presenta una notable influencia, sobre el tipo de transferencia del metal, penetración,
aspecto del cordón, proyecciones, etc.
20
2.2.4.2. Proceso FCAW
Trabajos de investigación sobre electrodos revestidos manuales, realizados hacia
fines de los ’40, mostraron que el gas producido en la desintegración del
revestimiento del electrodo era principalmente CO2. Este descubrimiento llevó
rápidamente a la utilización de CO2 como gas de protección en el proceso Gas Metal
Arc Welding (GMAW) cuando se lo utilizaba en aceros al carbono. El proceso
GMAW protegido con CO2 se volvió comercialmente disponible a mediados de los
’50. Aproximadamente para el mismo tiempo la protección con CO2 fue combinada
con la utilización de un electrodo tubular que contenía fundentes en su interior. Las
características operativas fueron mejoradas por la adición de elementos en el relleno
y la calidad de la soldadura se mejoró por la eliminación de la contaminación
atmosférica. El proceso fue introducido públicamente en la exposición de la
American Welding Society (AWS) en Buffalo, New York, en mayo de 1954. Los
electrodos y el equipamiento fueron refinados y se introdujo con la forma esencial
que hoy tiene en 1957.
A partir de entonces, a través de los sucesivos avances, se ha convertido en la
alternativa más apropiada para la realización de muchas uniones soldadas que
anteriormente se materializaban con alambre macizo (GMAW) o arco sumergido
(SAW) debido a que ofrece una serie de ventajas comparativas. Alta velocidad y
eficiencia de soldadura, muy buena penetración, disponibilidad de pequeños
volúmenes en diversas aleaciones y diámetros (tan pequeño como 0,9 mm) y
excelente operatividad en todas las posiciones son características comunes de los
electrodos actuales del proceso Flux Cored Arc Welding (FCAW).
21
2.2.4.2.1. Descripción del proceso
La soldadura por arco eléctrico con alambres tubulares (FCAW) es un proceso de
soldadura que utiliza un arco entre un electrodo continuo metálico y la pileta de
soldadura. El proceso puede tener una protección proveniente de un fundente
contenido en el interior del electrodo tubular, con o sin protección adicional
proveniente de una fuente externa de gas, y sin la aplicación de presión.
Dentro de lo que es el proceso de soldadura por arco eléctrico con protección gaseosa
y alambre tubulares, se encuentran tres tipos principales de electrodos. En general se
clasifican según el tipo de relleno que lleven en su interior: elementos escorificantes
ácidos, elementos escorificantes básicos y sin elementos escorificantes o metal-cored
wires (MCW).
En la década de los 80 se desarrolló una nueva familia de electrodos tubulares del
tipo ácido para aplicaciones que requieren bajos niveles de hidrógeno difusible en el
metal de soldadura.
Desarrollos recientes en electrodos FCAW con protección gaseosa, especialmente en
pequeños diámetros y para toda posición, aumentaron la utilización de estos
consumibles en aplicaciones que requieren bajos niveles de hidrógeno difusible y
propiedades de impacto mejoradas.
Sin embargo, a pesar de la exitosa aplicación de los alambres tubulares con escoria
(ácida, básica y ácido-básica) todavía se necesitaba una mejora en el proceso. Se
requería lograr tanto altas velocidades de deposición como alta eficiencia de
transferencia. La clave era obtener tanto la alta productividad de los alambres
tubulares con escoria manteniendo la alta eficiencia de transferencia de los alambres
macizos, así se obtuvieron los alambres tubulares metal-cored (MCW).
22
Cabe aclarar que respecto de los electrodos del tipo metal-cored la clasificación no es
homogénea en todos los casos. En muchas ocasiones se los clasifica, no como uno de
los electrodos FCAW sino que se los incluye en la clasificación dentro los alambres
macizos GMAW.
Varios grados de estos últimos electrodos desarrollados se utilizan satisfactoriamente
para la soldadura de aceros al carbono estándar, aceros al carbono con aceros de alto
límite de fluencia (HY) y de alta resistencia con baja aleación (HSLA), y a su vez,
para soldar este tipo de aceros entre ellos.
En la Fig. II. 6 se puede ver un esquema del proceso FCAW con protección gaseosa.
El gas de protección generalmente usado es CO2 o una mezcla Ar-CO2 formando un
envoltorio alrededor del arco y la pileta líquida que los protege de la contaminación
atmosférica. Sin embargo, se puede generar oxígeno de la disociación del dióxido de
carbono en monóxido de carbono y oxígeno.
Fig. II. 6. Proceso FCAW con protección gaseosa.
23
El proceso es utilizado para soldar aceros al carbono y de baja aleación, aceros
inoxidables y fundiciones de hierro. También se lo usa para soldadura de punto (tipo
spot) en juntas solapadas de chapas tanto como para plaqueado (cladding) y
recargues duros superficiales. A su vez, ha encontrado amplia aplicación en
fabricación en planta, en mantenimiento y en trabajo de campo. Es utilizado para
producir soldaduras conforme al Código ASME para recipientes a presión, como así
también aplicaciones en plataformas offshore y construcciones civiles, bajo las
reglamentaciones del American Bureau of Shipping y ANSI/AWS D1.1 Structural
Welding Code Steel. Además, recientemente ha encontrado gran aplicación en la
soldadura robotizada, fundamentalmente los electrodos del tipo metal-cored. La
mayor productividad comparada con el SMAW es el principal atractivo de los
alambres tubulares para muchas aplicaciones. Esto en general se traduce en menores
costos globales por kilogramo de metal depositado en juntas que permiten la
soldadura continua y fácil acceso de la torcha y del equipo de FCAW. Algunas de las
ventajas que posee este proceso son la mayor velocidad de deposición y eficiencia de
transferencia. Las mayores desventajas, comparado con el proceso SMAW, son el
mayor costo del equipamiento, la relativa complejidad de la puesta a punto y control
del equipo y la restricción en la distancia de operación desde el alimentador de
alambre. El proceso FCAW puede generar una cantidad importante de humos lo que
requiere, excepto para el trabajo de campo, de un equipo de extracción de humos
adecuado. Comparado con el proceso GMAW, tiene la necesidad de remover la
escoria generada entre pasadas, introduciendo un costo adicional de mano de obra,
especialmente en las pasadas de raíz. Esto no sucede en el caso de los alambres tipo
metal-cored, dada su baja generación de escoria.
24
Equipamiento
En la Fig. II. 7 se puede observar un esquema del equipamiento básico para la
soldadura por arco eléctrico con protección gaseosa y alambres tubulares.
Fig. II. 7. Equipamiento para FCAW con protección gaseosa.
La fuente de poder recomendada es de corriente continua con característica externa
de tensión constante, similar a la usada para GMAW. En la Fig. II. 8 se puede ver un
esquema de la característica externa de la fuente de corriente continua de tensión
constante.
Fig. II. 8. Característica externa de fuente de corriente continúa de tensión constante.
25
La mayoría de las aplicaciones semiautomáticas utiliza menos de 500 A. El control
de voltaje debe ser capaz de ajustar en incrementos de 1 volt o menores. A su vez,
cuenta con un alimentador de alambre, cuyo propósito es suministrar alambre en
forma continua al arco de soldadura a una velocidad constante, previamente ajustada.
La velocidad a la que se alimenta el alambre determina la corriente de soldadura que
una fuente de poder de tensión constante proveerá. Si la velocidad de alimentación
del alambre es cambiada, la máquina automáticamente se ajusta para mantener el
voltaje de arco fijado previamente.
Las torchas como se muestra en la Fig. II. 9. Proveen el contacto interno con el
electrodo que conduce la corriente de soldadura. La aplicación de la corriente de
soldadura y la alimentación del alambre se controlan con un gatillo ubicado en la
torcha. Pueden ser refrigeradas por aire o agua. En general las refrigeradas por agua
pueden soportar mayores corrientes de trabajo.
El hecho de que esta variante del proceso FCAW cuente con protección gaseosa
implica la existencia de una fuente externa de gas, un regulador de presión, un
caudalímetro y las necesarias mangueras y conectores.
Fig. II. 9. Torcha típica utilizada en el proceso FCAW con protección gaseosa.
26
Dado que los reguladores pueden congelarse fácilmente y obstruir el paso del gas de
protección al utilizar CO2, para evitar dicho problema debe disponerse de
calefactores. Se requiere que el gas tenga la pureza para soldadura dado que pequeñas
cantidades de humedad puede resultar en porosidad o absorción de hidrógeno en el
metal de soldadura. El punto de rocío de los gases de protección debe ser menor que
–40°C.
2.2.4.3. Consumibles
2.2.4.3.1. Electrodos
FCAW debe gran parte de su versatilidad a la amplia variedad de elementos que
pueden ser incluidos en el relleno de un alambre tubular. El electrodo usualmente
consiste en un fleje de acero de bajo carbono o acero aleado que encierra un relleno
de fundente y elementos de aleación.
En cuanto a la tecnología de fabricación de los alambres tubulares existen
básicamente dos tipos: alambres tubulares sin junta y con junta.
La Fig. II. 10. Se pueden observar ejemplos de ambos tipos de alambre tubulares.
Los alambres sin junta son cobreados, mientras que los que si la tienen no son
cobreados sino que tienen una superficie oxidada (mate) o brillante dependiendo del
fabricante.
La tecnología utilizada para la fabricación de los alambres sin junta se basa en un
tubo que es llenado con los polvos que forman el relleno y luego es trefilado a través
de matrices que lo llevan al diámetro final. Dado que no tiene junta este tipo de
alambre permite el mismo tratamiento electrolítico de cobreado que los alambres
macizos. Se caracterizan por tener una baja relación de llenado, lo que tiene una
influencia negativa en la productividad de los alambres.
27
Una diferencia importante entre ambos es la relación de llenado. Los alambres
cerrados a tope tienen una relación de llenado de entre 18 y 24%, mientras que en los
cerrados a solape oscila entre 30 y 45%. Para el caso de los alambres sin junta la
relación de llenado está entre 12 y 14%. Altas relaciones de llenado permiten
mayores velocidades de deposición y la cantidad de elementos de aleación en el
relleno es mayor. Actualmente, la mayor cantidad de alambres tubulares no aleados o
de baja aleación utilizada es de 1,2 mm de diámetro.
Fig. II. 10. Alambres tubulares con y sin junta.
Por otro lado, relativamente el espesor del tubo hace que estos alambres sean más
rígidos, lo que aumenta la “alimentabilidad” del alambre a través de largos conductos
de cable.
Diversas tecnologías existen para la fabricación de los alambres tubulares con junta.
Todas ellas usan un fleje de acero que se conforma en forma de U. Luego el fleje
conformado se llena con una cantidad medida de relleno granular (materiales
escorificantes y/o elementos de aleación). Posteriormente el fleje se cierra
obteniéndose la forma circular y comprimiendo el material del relleno. La sección del
tubo es posteriormente reducida hasta la dimensión final, comprimiendo aún más el
relleno. Finalmente se lo enrolla en bobinas.
28
La Fig. II.11. Se puede observar un esquema del proceso de fabricación mencionado.
La diferencia entre los distintos procesos de fabricación es la forma en la que se
produce la reducción del diámetro. El método más común es el trefilado, donde el
alambre es pasado a través de una serie de matrices utilizando jabones lubricantes.
Estos lubricantes son hidrogenados. Para evitar la porosidad y un alto contenido de
hidrógeno en el metal de soldadura los residuos de los lubricantes utilizados deben
ser removidos.
Fig. II. 11. Esquema del proceso de fabricación por trefilado del alambre tubular.
Ya que hay una junta esto no puede ser realizado con detergentes líquidos, lo que
explica por qué los alambres trefilados reciben un tratamiento de horneado que
produce la capa de óxido superficial azulada característica.
Una nueva y avanzada tecnología es el laminado. En este caso la reducción del
diámetro del alambre se produce alimentándolo a una serie de rodillos. El laminado
es un camino con bajo contenido de lubricantes, logrando alambres limpios
(brillantes) que no requieren un tratamiento posterior de horneado. Una tercera
tecnología combina etapas de trefilado y de laminado. En la Fig. II. 12 se pueden
observar esquemas de ambos procesos.
29
Fig. II. 12. Esquemas de los procesos de fabricación de los alambres tubulares con
junta.
En cuanto al tipo de relleno que tienen los alambres tubulares, los electrodos que
producen escoria ácida son los más comúnmente utilizados, siendo el dióxido de
titanio (TiO2) el principal componente de su relleno, junto con SiO2 y MnO. Además
se agregan al relleno otros formadores de escoria, estabilizadores de arco,
desoxidantes y elementos de aleación. Este tipo de electrodos (E70T-1) produce un
arco muy estable, bajas pérdidas por salpicaduras, buena apariencia de los cordones y
una escoria fácilmente removible. Se los utiliza fundamentalmente en posición bajo
mano y filetes horizontales.
Como resultado de su baja tensión superficial, muchas y relativamente pequeñas
gotas son desprendidas desde el extremo del electrodo y pasan a través del arco a la
pileta de soldadura en vuelo libre (similar a la transferencia spray), en todo el rango
de corrientes. El metal de soldadura fluido tiene excelentes propiedades de
mojabilidad, pero esa misma fluidez junto con la transferencia de vuelo libre es lo
que hace virtualmente imposible obtener una soldadura de buena calidad en pasadas
de raíz sin un respaldo cerámico.
30
La última generación de alambres tubulares con escoria ácida (E71T-1, E81T1-Ni1),
diseñados para soldadura en toda posición y bajos niveles de hidrógeno difusible en
el metal de soldadura contiene microaleantes, usualmente boro y titanio y un sistema
de escorias levemente más básicas que los alambres tubulares ácidos (rutílicos)
estándar. El alto porcentaje de elementos fácilmente ionizables produce un arco muy
estable y una transferencia de finas gotas.
El alto punto de fusión de la escoria permite la soldadura en toda posición. La
combinación del sistema de escoria y los microaleantes aumenta la resistencia al
impacto debido a una microestructura de fina ferrita acicular y menor cantidad de
ferrita en borde de grano y ferrita poligonal. Además los niveles de hidrógeno
difusible también se ven reducidos. Estas buenas propiedades mecánicas se obtienen
para la condición as-welded.
Estos consumibles están disponibles para soldadura de aceros con una resistencia a la
tracción de hasta 650 MPa, satisfaciendo requerimientos de tenacidad en Charpy V
hasta a –50°C. Los electrodos tubulares con relleno básico contienen usualmente un
sistema de escoria de carbonato de calcio (CaCO3) y fluorita de calcio (CaFl2). Estos
componentes no son fácilmente ionizables por lo que la transferencia es globular y
muchas veces irregular. El bajo punto de fusión de la escoria hace que sea difícil su
utilización para soldar en posición. Además, también se agregan varios tipos de
estabilizadores de arco, desoxidantes y aleaciones al relleno.
Estos electrodos generalmente producen una transferencia globular y producen más
salpicaduras que los ácidos (rutílicos). Para su utilización en posiciones vertical o
sobre-cabeza requieren una gran habilidad del soldador, por lo que en general se
restringe su uso a posiciones bajo mano y horizontal. Las propiedades al impacto son
excelentes, los niveles de hidrógeno difusible bajos y el metal de soldadura tiene
buena resistencia a la fisuración tanto en condición as-welded como con relevado de
31
tensiones. La principal limitación de estos consumibles es su pobre operatividad,
sobre todo en soldadura en posición, como el riesgo de penetración insuficiente e
inclusiones de escoria.
A fines de los ’80 se desarrolló una nueva generación de alambres tubulares básicos
(E71T5-G) con una mucho mejor operatividad en posición, con mucho menor riesgo
de defectos de fusión e inclusiones de escoria debido a que opera a mayores voltajes
y corrientes con una transferencia denominada “semi-spray”, un arco abierto con
baja frecuencia de corto circuito.
Los electrodos con relleno metálico (metal-cored) tienen algunas características
similares a los alambres tubulares con escoria tales como la forma constructiva y las
tecnologías de fabricación y un comportamiento similar al de los alambres macizos.
Los MCW contienen principalmente polvo de hierro, desoxidantes, denitrificantes y
elementos de aleación en el relleno, con poco o ningún elemento formador de escoria
(en general menos de 5%) y se han vuelto una alternativa muy interesante para
reemplazar a los alambres macizos. Esto se debe a que usualmente están más
fácilmente disponibles y a que son más económicos en los grados aleados. Cuando se
los utiliza en el proceso GMAW los electrodos metal-cored pueden producir un arco
más estable y mejor geometría de cordón que los alambres macizos, produciendo sólo
pequeñas islas de productos de desoxidación sobre el cordón. Buenos valores de
impacto en el metal de aporte puro se logra obtener hasta -40°C con los modernos
electrodos del tipo E71T-G.
En los alambres metal-cored de última generación se modificó tanto la composición
del fleje como la de los componentes utilizados en el relleno. Menores niveles de
carbono y menores cantidades de componentes con alta presión de vapor y/o
fácilmente disociables (NaF, CaCO3) se utilizan en esos productos, siendo estos
aspectos los responsables de bajar la velocidad de generación de humos y mejorar las
32
características del arco. Estos alambres tienen un muy bajo nivel de hidrógeno
difusible y pueden soldar en toda posición.
En cuanto a los materiales que se incorporan dentro del relleno, en la tabla 2 se puede
observar los comúnmente utilizados en el relleno de los electrodos para FCAW.
Tabla 2. Elementos comúnmente utilizados en el relleno de alambres tubulares para FCAW.
Aluminio Polvo metálico Desoxidante, denitrificante Calcio Mineral Genera protección, forma escoria
Carbono Elemento en ferroaleaciones Aumenta dureza y resistencia
Cromo Ferroaleación o polvo
metálico Mejora creep,
resistencia y dureza
Hierro Ferroaleación y polvo de Fe Metal base o elementos de
aleación
Manganeso Ferroaleación o polvo
metálico Desoxidante, evita fisuración,
dureza Molibdeno Ferroaleación Aumenta dureza y resistencia
Níquel Polvo metálico Aumenta dureza, tenacidad y
corrosión. Potasio Mineral Estabiliza el arco, forma escoria. Silicio Ferroaleación o mineral Desoxidante, forma escoria Sodio Mineral Estabiliza el arco, forma escoria
Titanio Ferroaleación o mineral Desoxidante, denitrificante, forma
escoria
Zirconio Óxido o Polvo metálico Desoxidante, denitrificante, forma
escoria Vanadio Óxido o Polvo metálico Aumenta resistencia
2.2.4.4. Gases
Las normas europeas sobre gases de protección para soldadura (EN439) clasifican los
gases por sus potenciales de oxidación. El potencial de oxidación se calcula a partir
de la ecuación Ec.2.1.
PO =%O2 + %1/2CO2 Ec. 2 .1
Las normas norteamericanas sobre gases de protección (AWS A5.32) los clasifican
según la composición de las mezclas de gases.
33
A medida que el potencial de un gas aumenta parte de algunos elementos de aleación
se perderán a través del arco en un proceso de oxidación. C, Si y Mn son los más
sensibles al aumento del potencial de oxidación de un gas o mezcla de gases. En este
sentido, la resistencia del metal de soldadura se verá afectada al variar el porcentaje
de elementos de aleación en el mismo.
El dióxido de carbono es el gas de protección más ampliamente utilizado para
FCAW. Dos ventajas principales con las que cuenta son su bajo costo y su profunda
penetración. Aunque generalmente genera una transferencia metálica del tipo
globular, algunas formulaciones de fundentes producen transferencia tipo rocío
(spray) con CO2. Este gas es relativamente inactivo a temperatura ambiente, pero
cuando es calentado a altas temperaturas por el arco se disocia para formar monóxido
de carbono y oxígeno, según la Ec.2.2.
2CO2 ↔ 2CO+O2 Ec. 2.2
Por lo tanto la atmósfera del arco contiene una considerable cantidad de oxígeno que
reacciona con los elementos en el metal fundido. Para contrarrestar el efecto oxidante
del CO2 es que se incorporan materiales desoxidantes.
Además el metal fundido reacciona con el CO2 produciendo óxido de hierro y
monóxido de carbono en una reacción reversible, según la Ec.2.3.
Fe+CO ↔ FeO+CO Ec 2.3
A altas temperaturas algo del monóxido de carbono se disocia en carbono y oxígeno,
según la Ec. 2.4.
2CO ↔ 2C + O2 Ec.2.4
34
El efecto del CO2 como gas de protección sobre el contenido de carbono del metal de
soldadura de aceros dulces y de baja aleación puede ser diverso. En función de los
contenidos de carbono originales del metal base y del electrodo, la atmósfera de CO2
puede comportarse como carburante o decarburante. Si la concentración de carbono
en el metal de soldadura es menor que aproximadamente 0,05% la pileta líquida
tenderá a tomar carbono de la atmósfera protectora de CO2. Por otro lado, si el
contenido de carbono de la pileta líquida es mayor de alrededor de 0,10% entonces la
misma podrá perder carbono. La pérdida de carbono es atribuible a la formación de
CO debido a las características oxidantes del CO2 a altas temperaturas. Cuando esta
reacción ocurre el CO puede quedar atrapado en el metal de soldadura como
porosidad. Esta tendencia es minimizada proveyendo al relleno del alambre tubular
un adecuado nivel de elementos desoxidantes. El oxígeno reaccionará con los
elementos desoxidantes más que con el carbono del acero. Esta reacción resultará en
la formación de óxidos sólidos que tenderán a flotar hacia la superficie donde
formarán parte de la escoria.
Las mezclas de gases usadas en FCAW pueden combinar las ventajas individuales de
dos o más gases. Cuanto mayor es el porcentaje de gas inerte en las mezclas con CO2
u oxígeno, mayor será la eficiencia de transferencia de desoxidantes contenidos en el
relleno. El argón es capaz de proteger la pileta líquida en todo el rango de
temperaturas que tiene lugar a lo largo del ciclo térmico en la soldadura. Su presencia
en cantidades suficientes en una mezcla de gases protectora resulta en menor
oxidación que la que tiene lugar al utilizar 100% CO2 como gas de protección.
La mezcla más comúnmente utilizada en FCAW con protección gaseosa es 75%Ar-
25%CO2. El metal de soldadura depositado con esta mezcla generalmente tiene
mayor límite de fluencia y resistencia a la tracción que los obtenidos con CO2.
Cuando se suelda con esta mezcla se obtiene una transferencia del tipo rocío (spray) y
35
es usada fundamentalmente para la soldadura fuera de posición. A su vez, provee una
mayor operatividad y mejores características de arco que el CO2. El uso de mezclas
de gases protectoras con altos porcentajes de gas inerte en electrodos diseñados para
ser utilizados con CO2 puede resultar en un excesivo aumento de Mn, Si y otros
elementos desoxidantes en el metal de soldadura. Este mayor contenido de aleación
en el metal de soldadura cambiará sus propiedades mecánicas.
Mezclas de gases con alto contenido de Ar, tales como 95% Argón - 5% Oxígeno,
generalmente no se utilizan en FCAW debido a que se pierde la capa de escoria
superficial.
Otro factor que es afectado por el tipo de gas utilizado en la protección del arco
eléctrico es la estabilidad de arco. Ésta, expresa hasta qué punto el arco se mantiene
sin modificarse entre el extremo del electrodo y la pieza. Cuando la estabilidad de
arco disminuye el arco puede “vagar” por la superficie de la pileta líquida, fluctuar en
intensidad y/o cesar momentáneamente. La estabilidad de arco depende de una
variedad de factores, de los cuales los dos más importantes son las propiedades
físicas y químicas del gas de protección utilizado. Las propiedades físicas de los
gases que afectan la columna de plasma son el potencial de ionización, la
conductividad térmica y el peso específico. Las propiedades químicas del gas
influyen sobre la mojabilidad del arco. Estos factores determinarán la estabilidad del
arco.
Una alta conductividad térmica de la columna de plasma constreñirá el arco,
disminuyendo su tamaño, mientras que una baja conductividad térmica lo expandirá,
transmitiendo igual cantidad de calor. Ejemplos de esto podrían ser el helio y el
dióxido de carbono, los cuales tienen una conductividad térmica relativamente alta a
las temperaturas del arco. Como resultado de la constricción de la columna de
plasma, un calentamiento localizado por condensación de electrones debajo de la
36
punta del alambre fundido contribuirá favorablemente a la transferencia globular. El
argón tiene una menor conductividad térmica que el helio y el dióxido de carbono a
las temperaturas del arco. La columna de plasma con protección de argón se
expandirá desde la punta fundida del alambre y se extenderá hacia arriba produciendo
una mayor superficie para el calentamiento por condensación de electrones. Este
proceso de calentamiento fundirá rápidamente el alambre, produciendo una fina punta
en el extremo del alambre. Simultáneamente en presencia de fuertes fuerzas de
Lorentz, de origen electromagnético, la rápida fusión producirá un haz de finas gotas
que impactan contra el metal base produciendo una profunda penetración direccional
en los alambres macizos. Adiciones progresivas de CO2 al argón puro cambiará
proporcionalmente el balance entre transferencia spray pura a modo globular. A
partir del 15% de CO2 en argón progresivamente la mezcla se va volviendo incapaz
de producir una transferencia tipo spray. Con 25% de CO2 en argón la mezcla no
puede ser utilizada para producir transferencia spray ni spray pulsado. En general, es
mejor estar fuera de la zona de transferencia globular, para obtener una transferencia
estable. Los alambres tubulares tipo metal-cored y los alambres macizos utilizados
para soldar aceros al carbono con CO2 puro producirán una transferencia globular
inestable, por lo que esa combinación no es demasiado utilizada en la práctica.
Si se utiliza argón puro para realizar soldaduras por GMAW en aceros al carbono o
aceros inoxidables el arco de soldadura se torna inestable. El metal depositado no
mojará fácilmente la superficie del acero y muy posiblemente se producirán
discontinuidades. Si se introducen adiciones progresivas de CO2 u O2 al argón puro se
producirá una instantánea estabilización del arco con pequeñas cantidades de especies
oxidadas. El agregado de CO2 también aumentará la emisión de humos de soldadura.
A su vez el O2 tiene un efecto beneficioso en la fluidez, el mojado y la penetración
del metal depositado. Cuando se realizan soldaduras por GMAW o con MCW en
aceros al carbono la composición óptima de la mezcla de gases de protección que
37
provee una máxima flexibilidad para la aplicación del proceso y la reducción en el
nivel de humos corresponde a una mezcla ternaria. Estas mezclas contienen argón
como componente fundamental con cantidades variables de CO2 y O2, produciendo
una reducción de la zona de transferencia globular, con menores voltajes para
comenzar la transferencia tipo spray.
Por otro lado se tiene que el gas de protección puede afectar el nivel de hidrógeno
difusible, que está asociado a problemas de fisuración en frío en la soldadura de
aceros al carbono. El hidrógeno puede introducirse al metal de soldadura por diversas
fuentes. En soldaduras semiautomáticas estas fuentes de hidrógeno pueden ser el
metal de aporte, el metal base húmedo, el gas de protección y de la humedad
atmosférica, si no hay una buena protección del arco. La humedad en el gas de
protección es medida por su punto de rocío y muchas de las mezclas de gases
utilizadas en soldadura se entregan con menos de 10 ppm de humedad en el cilindro.
.-Variables de proceso
.- Corriente de soldadura
La corriente de soldadura es proporcional a la velocidad de alimentación del alambre,
para un diámetro, una composición y una longitud libre del electrodo dados.
En la Fig. II. 13, se puede ver la relación entre la velocidad de alimentación del
alambre y la corriente de soldadura para un electrodo típico de acero al carbono con
protección gaseosa de O2.
38
Fig. II. 13. Velocidad de alimentación del alambre vs. Corriente de soldadura, para varios
diámetros, para un E70T-1.
Una fuente de poder de tensión constante del tamaño adecuado se utiliza para fundir
el alambre a una velocidad que mantiene constante la tensión de arco (longitud de
arco) preajustada. Para una dada velocidad de alimentación del alambre, la corriente
de soldadura medida varía con la longitud libre del electrodo. A medida que aumenta
la longitud libre del electrodo, la corriente de soldadura disminuye.
Al variar la corriente de soldadura, si las demás variables del proceso se mantienen
constantes, para un diámetro de electrodo dado, se tendrán los siguientes efectos:
- Al aumentar la corriente aumenta la velocidad de deposición del electrodo.
- Al aumentar la corriente aumenta la penetración.
- Excesiva corriente produce cordones de soldadura convexos con mal aspecto.
- Corriente insuficiente produce transferencia de grandes gotas y excesivas
salpicaduras.
39
2.2.4.5. Tensión de arco
La tensión de arco y la longitud de arco están muy relacionadas. El voltaje indicado
en el panel de la fuente es la suma de las caídas de voltaje a lo largo del circuito de
soldadura. Esto incluye la caída en el cable, en la longitud libre del electrodo, en el
arco, en la pieza y en el cable de masa. Por lo que la tensión de arco será proporcional
a lo indicado en el panel si consideramos constantes las caídas en los demás
elementos del circuito (incluidas sus temperaturas).
La apariencia, la calidad y las propiedades de las soldaduras realizadas con FCAW
pueden ser afectadas por variaciones en la tensión de arco. Una tensión de arco
demasiado alta (arco demasiado largo) puede resultar en salpicaduras excesivas y en
cordones anchos e irregulares. Con electrodos de acero al carbono esto puede
provocar porosidad. Una tensión de arco demasiado baja puede resultar en excesivas
salpicaduras y cordones angostos y convexos con baja penetración.
2.2.4.5.1. Longitud libre del electrodo
La longitud libre del electrodo es la porción de electrodo sin fundir que se extiende
desde el arco hasta el tubo de contacto durante la soldadura (stick-out). En la Fig. II.
14, se puede ver un esquema donde se indica la longitud libre de electrodo.
Esta porción de alambre se calienta por resistencia en forma proporcional a su
longitud libre, manteniendo las demás variables constantes. La temperatura del
electrodo afecta la energía del arco, la velocidad de deposición y la penetración.
También puede afectar la calidad y la estabilidad del arco.
El efecto de la longitud libre del electrodo como un factor operativo en FCAW
introduce una nueva variable que debe ser tenida en cuenta en conjunto con las demás
variables del proceso y con las condiciones de protección. Manteniendo otros
40
parámetros constantes una longitud libre de electrodo demasiado larga produce un
arco inestable y excesivas salpicaduras.
Fig. II. 14. Esquema de la longitud libre de electrodo o stick-out.
Una longitud libre demasiado corta puede causar un arco demasiado largo para un
voltaje particularmente ajustado. A su vez puede producir un acumulamiento de
salpicaduras en la tobera de la torcha que puede interferir con el flujo de gas,
perdiendo efectividad la protección.
Muchos fabricantes recomiendan longitudes libres de electrodo de entre 19 y 38 mm.
2.2.4.6. Velocidad de soldadura
La velocidad de soldadura afecta la penetración y el contorno. A bajas velocidades de
soldadura la penetración es mayor que a altas velocidades. Bajas velocidades de
soldadura a altas corrientes resultan en un sobrecalentamiento del metal de soldadura.
Esto puede dar lugar a la posibilidad de que se produzcan atrapes de escoria o que se
funda el metal base. Altas velocidades de soldadura tienden a dar cordones
irregulares y con mala apariencia.
41
2.2.4.7. Caudal de gas de protección
Esta variable afecta fundamentalmente la calidad de la soldadura. Un caudal de gas
bajo resulta en una pobre protección de la pileta fundida dando lugar a porosidad y
oxidación. Excesivo caudal de gas genera turbulencia y mezcla con el aire. El efecto
sobre la calidad de la soldadura será el mismo que cuando falta caudal de gas, en
ambos extremos aumentan las impurezas en el metal de soldadura. El caudal de gas
adecuado será función del tipo y diámetro de la tobera de la torcha, de la distancia de
la tobera hasta la pieza y de los movimientos de aire en el ambiente donde se realiza
la soldadura.
2.2.4.8. Velocidad de deposición y eficiencia
La velocidad de deposición es el peso de material depositado por unidad de tiempo.
Depende de las variables de soldadura tales como diámetro del electrodo,
composición del electrodo, longitud libre del electrodo y corriente de soldadura. La
Fig. II. 15 se puede ver la relación entre velocidad de deposición y corriente de
soldadura, para varios diámetros, para un electrodo de acero al carbono típico de
FCAW.
Fig. II. 15. Velocidad de Deposición vs. Corriente de soldadura, para varios diámetros, para
un E70T-1.
42
La eficiencia de deposición es la relación entre el peso de metal depositado y el peso
de metal consumido. En electrodos para FCAW los alambres tubulares con escoria,
debido a la producción de escoria y humos, tienen una eficiencia que se encuentra
entre 80 y 90%. Para el caso de los metal-cored debido a que la generación de escoria
es prácticamente nula y la de humos es significativamente menor la eficiencia
asciende a entre 91 y 96% (4, 6, 12). La Fig. II. 16, se puede ver una comparativa de
la eficiencia de deposición de varios procesos de soldadura.
Valores extremos bajo distintas condiciones de proceso.
Fig. II. 16. Eficiencia de transferencia de varios procesos de soldadura.
Comparado con un alambre macizo del mismo diámetro, la parte conductora de la
sección transversal es mucho menor en un alambre tubular, resultando en una mayor
densidad de corriente, a igual corriente de soldadura. Además hay un mayor
calentamiento resistivo (I2R).
Ambos aspectos contribuyen a una mayor velocidad de fundido del alambre tubular.
Las mayores velocidades de alimentación del alambre necesarias para acompañar la
mayor velocidad de quemado compensa la diferencia de costo entre el alambre
macizo y el tubular. Hay concretamente un aumento en la velocidad de deposición a
favor del alambre tubular. La Fig. II. 17 se puede ver una comparativa de la
43
velocidad de deposición entre dos alambres tubulares rutílicos de 1,6 mm de diámetro
y un alambre macizo.
Fig. II. 17. Relación entre velocidad de deposición y calor específico para un alambre macizo
y dos alambres tubulares con distintas relaciones de llenado.
La relación de llenado marca también una diferencia en la velocidad de deposición.
Con una mayor relación de llenado la sección conductora es menor, produciendo una
mayor velocidad de deposición según lo descrito anteriormente. Esta diferencia se da
especialmente en soldaduras en posición con alambres de pequeños diámetros. A su
vez, se ve como varía un parámetro que se define como el calor generado en el arco
respecto de la velocidad de deposición. Éste parámetro se vuelve menor a medida que
aumenta la velocidad de deposición.
En otras palabras la pileta de soldadura producida con los alambres tubulares es más
pequeña y por lo tanto más manejable por el soldador, a pesar de tener mayores
velocidades de deposición.
Los alambres tubulares del tipo metal-cored de última generación tienen una
velocidad de deposición de un 10 a un 30% mayor que los alambres sólidos o los
tubulares con escoria. Estos alambres tienen una eficiencia de transferencia de
alrededor del 95%, produciendo bajo nivel de salpicaduras en la soldadura cuando se
utilizan con mezclas ricas en Ar como gas de protección.
44
2.2.4.9. Ángulo del electrodo
El ángulo al cual el electrodo es mantenido durante la soldadura determina la
dirección a la que la fuerza del arco es aplicada hacia la pileta fundida. Cuando las
variables de soldadura están adecuadamente ajustadas, la fuerza del arco puede ser
utilizada para vencer el efecto de la gravedad. Cuando se realizan soldaduras con
preparación de junta y de filete en posición bajo mano, la gravedad tiende a hacer que
la pileta líquida avance delante de la soldadura. En este sentido, la fuerza del arco
puede ser utilizada no sólo para darle la forma deseada al cordón sino también para
evitar atrapes de escoria en el metal de soldadura. Para esto el electrodo debe ser
sostenido a un ángulo respecto de la vertical con la punta del electrodo hacia la
soldadura. Éste ángulo se denomina ángulo de arrastre. La Fig. II. 18. Se puede ver
un esquema de la posición del electrodo y el ángulo de arrastre.
El ángulo de arrastre depende del método de FCAW, del espesor del metal base y de
la posición de soldadura. Para FCAW con protección gaseosa el ángulo de arrastre
debe ser pequeño, usualmente entre 2 y 15° y no más de 25°. Si el ángulo de arrastre
es mayor la efectividad del gas de protección se pierde.
Cuando se suelda en vertical ascendente se puede utilizar un pequeño ángulo de
avance del electrodo, inverso al de arrastre.
Fig. II. 18. Ángulo de arrastre.
45
2.2.4.10. Calidad de la soldadura
La calidad de las soldaduras que pueden producirse con el proceso FCAW depende
del tipo de electrodo que se utilice, el método (con protección, sin protección, etc.), la
condición del metal base, el diseño de la junta y las condiciones de soldadura. A cada
uno de estos tópicos se le debe prestar particular atención para producir soldaduras
sanas y con las mejores propiedades mecánicas. Los procedimientos de soldadura
para soldar fuera de posición plana deben ser evaluados cuidadosamente respecto de
la calidad obtenida en la soldadura.
En general pueden producirse soldaduras sanas con FCAW en aceros al carbono y de
baja aleación que se encuentran dentro de los requerimientos de diversos códigos de
construcciones soldadas.
Las propiedades al impacto del metal de soldadura de aceros de bajo carbono pueden
ser influidas por el método de soldadura. Algunos electrodos autoprotegidos son
altamente desoxidados produciendo metales de soldadura con relativamente baja
tenacidad. Unos pocos electrodos de acero de bajo carbono están diseñados para
tolerar una cierta cantidad de óxido en el metal base. En general se espera alguna
pérdida de la calidad de la soldadura cuando se sueldan materiales sucios.
Por otro lado, la combinación del gas de protección y la formulación apropiada del
relleno del alambre tubular generalmente produce soldaduras sanas con buenas
propiedades mecánicas. “En general la composición del electrodo debe ser similar a
la del metal base”.
Una diferencia esencial entre la soldadura con alambre macizo por GMAW y con
FCAW con protección gaseosa es el tipo de transferencia. Los alambres macizos, que
requieren mezcla de Ar-CO2 como gas de protección, producen un arco pequeño y
una transferencia metálica muy dirigida. Las gotas de metal cruzan el arco a lo largo
46
de la línea central, una tras otra a una alta frecuencia, lo que puede ser observado en
el característico cono del arco. Debido a esta transferencia axial las gotas entran en la
pileta líquida dentro de un área de proyección relativamente pequeña, concentrando
toda la energía de las gotas en esta pequeña área. Los alambres tubulares tienen un
arco más amplio. Las gotas se desprenden del fleje y toman una mucha mayor área de
proyección produciendo una distribución de la energía mucho más uniforme. La Fig.
II. 19 se puede ver un esquema de la forma que adopta el cordón para los alambres
macizos y tubulares.
Fig. II. 19. Esquema de la forma del cordón para alambre macizo (izq.) y tubular (der.).
Esta diferencia en las características del arco de los alambres macizos y tubulares
tiene una fuerte influencia en la calidad de la soldadura. Típicamente la penetración
de los alambres macizos adopta una forma irregular como se muestra en la figura. El
menor desalineamiento de la torcha puede causar defectos de fusión como la falta de
fusión lateral de la junta. La penetración de los alambres tubulares tiene una forma
menos profunda pero más amplia, otorgándole una mucha mayor tolerancia en el caso
del desalineamiento de la torcha, reduciendo el riesgo de que se produzcan defectos
de fusión. Este efecto es todavía más marcado cuando se utiliza CO2 en lugar de la
mezcla de Ar-CO2 como gas de protección, dado que el CO2 tiene una mayor
conductividad térmica por lo que el calor del arco se extiende sobre un área mayor
promoviendo una penetración circular favorable.
47
Otras diferencias se pueden observar en la apariencia de la soldadura. Especialmente
para altas corrientes la transferencia axial de los alambres macizos crea una pileta
líquida turbulenta y ondeada. Como resultado las soldaduras pueden no ser planas y
mostrar aguas irregulares en la superficie del cordón. Los alambres tubulares, debido
al tipo de transferencia generan un cordón con aguas suaves.
En cuanto a las salpicaduras los alambres macizos generan mayor salpicadura sobre
todo cuando se sueldan en transferencia globular o de corto circuito. Los alambres
tubulares butílicos pueden estar virtualmente libres de salpicaduras en transferencia
spray, especialmente cuando se utiliza la mezcla rica en Ar como gas de protección.
Sin embargo se indica en la literatura que el sistema de escoria en los alambres
tubulares puede complicar los mecanismos de transferencia desde el arco y no
observarse las distintas transiciones que se observan para los alambres macizos y el
metal-cored.
Los alambres metal-cored ofrecen más libertad operativa cuando se evita la
transferencia globular ajustando mayores tensiones de arco, logrando una
transferencia tipo spray suave. La Fig. II. 20 se puede ver el tipo de transferencia en
función de la corriente y la tensión para alambres tipo metal-cored.
Fig. II. 20. Modos de transferencia para alambres tipo metal-cored.
48
La transferencia en corto circuito ocurre a relativamente bajos niveles de tensión y se
caracteriza por una sucesión de rápidos apagados y encendidos del arco eléctrico. Es
útil para soldar materiales de pequeño espesor en todas las posiciones de soldadura.
En la transferencia globular los parámetros son mayores que para la transferencia en
corto circuito. El arco es continuo pero la transferencia es errática y a veces
ineficiente, dando como resultado penetración limitada, apariencia del cordón
irregular y excesivas salpicaduras. La soldadura bajo este tipo de transferencia es
generalmente restringida a las posiciones bajo mano y horizontal. Por lo dicho
anteriormente la transferencia globular generalmente se desea evitar.
En la transferencia tipo spray o rocío los parámetros (tensión y corriente) son
mayores que para la transferencia globular. Sin embargo debido a los altos
parámetros de soldadura la pileta líquida es muy fluida por lo que su aplicación con
alambres macizos o metal-cored se encuentra restringida a las posiciones bajo mano
y horizontal, por no tener escoria que funcione como contención mecánica.
La Fig. II. 21. Se puede ver un esquema de la forma del electrodo y las salpicaduras
para las transferencias spray y globular.
Fig. II. 21. Esquema de forma del electrodo y salpicaduras para transferencia spray y
globular.
49
En la transferencia pulsada, el arco de soldadura pulsa entre parámetros de base y de
pico, previamente ajustados en la fuente de poder. En los parámetros de base el arco
no se extingue y en los de pico la transferencia es del tipo spray. En este tipo de
transferencia, debido al preciso control del calor aportado, se logra producir una
soldadura de buena calidad en toda posición incluso con alambres macizos y metal-
cored. Los últimos avances en la tecnología de las fuentes de poder y en el control de
las mismas han producido una serie de ventajas entre las que se encuentra una mayor
productividad de la soldadura en los procesos automatizados.
La creciente disponibilidad de aceros para la construcción tratados
termomecánicamente o de enfriamiento acelerado, con una templabilidad
ampliamente reducida ofrece a la industria la oportunidad para disminuir o hasta
evitar el costoso proceso de precalentamiento. Para esto, los consumibles con muy
bajo hidrógeno son un prerrequisito. En este sentido, el nivel de hidrógeno en el
metal de soldadura de los alambres tubulares se ha vuelto un aspecto de renovado
interés, especialmente para la fabricación de alta calidad.
Para los alambres tubulares básicos y para los metal-cored es esperable un nivel de
hidrógeno difusible menor de 5ml/100g, dentro de todo el rango de parámetros
utilizables. En general tienen un contenido inicial de hidrógeno muy bajo y una
relativamente baja sensibilidad de absorción frente a los parámetros de soldadura. Ya
que estos consumibles no contienen ingredientes higroscópicos en su relleno, su
reabsorción de humedad durante el almacenamiento o exposición en la estación de
trabajo es limitada.
Por otro lado, en los alambres tubulares del tipo rutílico, que son los más utilizados,
el nivel de hidrógeno en el metal de soldadura es fuertemente dependiente de la
tecnología de fabricación y de la formulación de su relleno. En estos alambres, en
50
general, para compensar la pérdida de estabilidad de arco en los alambres trefilados,
como consecuencia del proceso de horneado necesario, se incluyen en el relleno
poderosos estabilizadores de arco sintéticos que son higroscópicos, volviendo a los
alambres sensibles a la reabsorción de humedad. Sin embargo, en los alambres
tubulares rutílicos fabricados por laminado, método que requiere un bajo nivel de
lubricación, no se necesita la incorporación de estabilizadores de arco debido a que
no deben hornearse. Esto provee una óptima transferencia de corriente sin aumentar
la higroscopicidad del alambre.
Fig. II. 22. Corriente y la longitud de arco vs. Hidrógeno difusible para un E81T1-Ni1.
La Fig. II. 22 se puede ver el efecto de los parámetros de proceso (corriente y
longitud de arco) en el nivel de hidrógeno difusible en el metal de soldadura, para las
distintas técnicas de fabricación de los alambres tubulares rutílicos.
Varios tipos de discontinuidades pueden resultar de malas prácticas o procedimientos.
Aunque muchas de estas discontinuidades son inocuas respecto del deterioro de las
propiedades de la unión, afectan la apariencia de la soldadura y por consiguiente la
reputación de la soldadura por FCAW. Estos problemas, así como sus causas y
soluciones se pueden ver en la tabla 3.
51
Tabla 3.- Discontinuidades en FCAW y soluciones.
Porosidad Aumentar el caudal de gas
Alto caudal de gas Disminuir el caudal de gas
Viento excesivo Proteger la zona de soldadura
Gas contaminado Controlar la fuente de gas
Metal base contaminado Limpiar las caras de la junta
Alambre contaminado Limpiar el alambre
Relleno insuficiente Cambiar el electrodo
Tensión excesiva Disminuir la tensión Long. Libre del electrodo excesivo Balancear la corriente Excesiva velocidad de soldadura Ajustar velocidad
Falta de fusión o penetración Manipulación errónea Dirigir el electrodo a la
raíz Parámetros erróneos Regular parámetros
Long. Libre del electrodo excesivo Aumentar apertura de raíz Fisuración Restricción de junta
excesiva Recalentar, disminuir restricción. Electrodo erróneo Revisar formulación y relleno
Desoxidantes insuficiente Revisar formulación y relleno
Alimentación de alambre Desgaste del tubo de contacto Disminuir
presión de rodillos Fusión del tubo de contacto Reducir tensión Conducto de alambre sucio Limpiar o cambiar conducto
2.2.4.11. Seguridad
La soldadura con FCAW puede ser realizada de forma tal de proveer tanto al
soldador como a quienes se encuentren en los alrededor de la zona de soldadura, la
máxima seguridad respecto de su integridad física.
FCAW genera humos a una velocidad por kilogramo de metal depositado similar a la
de SMAW, pero debido a que la velocidad de deposición es mucho mayor, la
velocidad de generación de humos en gramos por minuto es mucho mayor que para
52
SMAW. En particular, los alambres tubulares tipo metal-cored producen un menor
nivel de humos, más aún cuando se utilizan con mezclas ricas en Ar como gas de
protección. El CO2 puro es el que produce mayor nivel de polución por humos. El
cálculo de la cantidad de humos generados se realiza en base a la cantidad de
partículas capturadas en los filtros de ensayo, según la norma AWS F1.2-92.
La Fig. II. 23. Se puede ver una comparativa del nivel de humos generados por los
distintos procesos y consumibles.
Fig. II. 23. Generación de humos en distintos procesos y consumibles.
En Norte América, Europa y partes de América del Sur y Asia la exposición de los
soldadores es estrictamente controlada. La mejor solución a cualquier situación de
exposición es minimizar la cantidad de humos generados en el arco. En este sentido,
la última generación de alambres metal-cored produce entre un 20 y 50% menos de
humos que los alambres tubulares con escoria comparables.
Es importante asegurarse que la concentración de humos y vapores se encuentre por
debajo del límite permisible de exposición (PEL), especificado en 5mg/m3 por la
Administración de Salud y Seguridad Ocupacional (OSHA) del Departamento de
Trabajo de los Estados Unidos de América.
53
Especial precaución se debe tener en proteger al soldador de aspirar vapores de
manganeso cuando se sueldan productos tipo Hadfield. Asimismo cuando se sueldan
aceros inoxidables o aleaciones con alto contenido de cromo debido a la generación
de vapores de cromo. Se debe tener requerimientos de seguridad con los gases de
protección cuando se suelda en espacios cerrados. Estos gases no son venenosos pero
sí asfixiantes y pueden desplazar el oxígeno. Cuando se suelda con gases con alto
contenido de argón se generará sustancial radiación ultravioleta, que puede reaccionar
con el oxígeno en los alrededores del arco formando ozono.
Una utilización segura del proceso FCAW implica una cuidadosa evaluación de estos
factores y la aplicación de las medidas correctivas necesarias antes de la soldadura.
2.2.4.12. Costos y Productividad
El cálculo de los costos y de la productividad de la soldadura, para un alambre
macizo ER70S-6 y un alambre tubular rutílico, ambos de 1,2 mm de diámetro se
explica a continuación. La soldadura evaluada es un filete en vertical ascendente. Sin
importar en qué lugar del mundo se ubique, el principal objetivo de cualquier usuario
de un proceso de soldadura es lograr altos niveles de calidad y productividad con el
menor costo posible. En los países industrializados donde el costo de la mano de obra
es una fracción importante del costo total, un proceso de soldadura que permita al
soldador trabajar más rápida y eficientemente será el elegido para ser utilizado en
fabricaciones soldadas. En los países donde los costos laborales son
significativamente menores, el factor controlante del costo total es el costo asociado
con los consumibles. Por lo que consumibles con altas velocidades de deposición y
alta eficiencia pueden ser efectivamente utilizados para disminuir el costo total de
fabricación.
54
A pesar de no ser nuevos en el mercado de los consumibles, los alambres tubulares
del tipo metal-cored han sido recientemente rediseñados para cubrir las necesidades
de los usuarios. Estos nuevos productos tienen una velocidad de deposición de un 10
a un 30% mayor que los alambres sólidos o los tubulares con escoria. Además, las
soldaduras multicapa se pueden realizar sin limpieza entre pasadas debido a su baja
generación de escoria. Estos alambres tienen una eficiencia de transferencia de
alrededor del 95%, produciendo bajo nivel de salpicaduras y humos en la soldadura
cuando se utilizan con mezclas ricas en Ar como gas de protección.
De esta manera ciertos costos de limpieza (escoria y salpicaduras) y equipos de
extracción de humos se ven disminuidos.
2.2.4.13. Ventajas y desventajas
La soldadura por FCAW tiene muchas ventajas respecto a la soldadura con electrodo
revestido manual (SMAW), así como ciertas ventajas sobre los procesos de arco
sumergido (SAW) y de soldadura semiautomática con alambre macizo y protección
gaseosa (GMAW). En muchas aplicaciones el proceso FCAW provee soldaduras de
alta calidad a un menor costo con menos esfuerzo del soldador que el proceso
SMAW. Es más amigable que el proceso GMAW y más flexible y adaptable que el
SAW. Estas ventajas se pueden enumerar de la siguiente forma:
- Metal de soldadura depositado de alta calidad.
- Excelente apariencia (soldaduras suaves y uniformes).
- Excelente contorno de los filetes horizontales.
- Pueden soldarse diversos aceros en un amplio rango de espesores.
- Alto factor de operatividad (fácilmente automatizable).
- Alta velocidad de deposición (alta densidad de corriente).
55
- Relativamente alta eficiencia de deposición del electrodo.
- Ingeniería de diseño de juntas económica.
- Menor limpieza previa que GMAW.
- Menor distorsión que SMAW.
- Velocidad de deposición hasta 4 veces mayor que SMAW.
- Alta tolerancia de contaminantes que puedan producir fisuración.
- Resistencia a la fisuración bajo cordón.
- Los electrodos del tipo metal-cored producen muy baja escoria con buenas
propiedades.
- Más económico que GMAW, sobre todo para soldadura en posición a pesar del
mayor costo del alambre.
- Menor riesgo de defectos de fusión que GMAW.
- Menos salpicaduras y sensibilidad a la porosidad que GMAW.
- Los electrodos del tipo autoprotegidos eliminan la necesidad del gas de protección o
del fundente externo.
- Mayor productividad respecto del proceso GMAW en muchas aplicaciones.
Algunas de las desventajas de este proceso se pueden enumerar de la siguiente forma:
- Está limitado actualmente a la soldadura de aleaciones ferrosas y base níquel.
- El alambre tubular tiene un mayor costo por peso que el alambre macizo, excepto
para ciertos aceros de alta aleación.
- El equipamiento es más costoso y complejo que el utilizado en SMAW, aunque el
aumento de la productividad generalmente compensa su costo.
- La fuente de poder y el alimentador de alambre deben estar relativamente cerca del
lugar de soldadura.
- Para la versión con protección gaseosa, la protección externa puede ser afectada
adversamente por vientos.
56
- Debido a la mayor complejidad del equipamiento se requiere mayor mantenimiento
que en SMAW.
- Se generan más humos que en GMAW y SAW.
2.2.4.14. Insuficiente cuello:
La reducción de la garganta efectiva materialmente reduce el tamaño de la soldadura.
El cambio abrupto en la cara concentra esfuerzos en el cuello. Una soldadura pequeña
y una concentración de esfuerzo, debilitan la soldadura y proporciona la falla en la
junta. Este defecto es usualmente causado por velocidades altas y corrientes altas de
soldadura efectiva.
2.2.4.15. Excesiva convexidad.
El metal de soldadura en este tipo de defecto suele contener una gran cantidad de
porosidades debido a la escoria y a la gran cantidad de gases atrapados
2.2.4.16. Ensayos No Destructivos (E.N.D).
El propósito de estos ensayos es detectar discontinuidades superficiales e internas en
materiales, soldaduras, componentes e partes fabricadas.
Estos ensayos se basan en la aplicación de métodos físicos indirectos, como la
transmisión del sonido, la opacidad al paso de la radiación, etc. Y que tienen la
finalidad de verificar la sanidad de las piezas examinadas. No obstante, cuando se
aplica este tipo de pruebas no se busca determinar las propiedades físicas inherentes
de las piezas, sino verificar su homogeneidad y continuidad. Por lo tanto, estas
pruebas no sustituyen a los ensayos destructivos, sino que más bien se complementa.
Los materiales que se pueden inspeccionar son los más diversos, entre metálicos y no
- metálicos, normalmente utilizados en procesos de fabricación, tales como:
laminados, fundidos, forjados y otras conformaciones.
57
2.2.4.17. Tipos de Ensayos No Destructivos.
* Inspección visual.
* Líquidos Penetrantes
* Radiografías.
* Partículas Magnéticas.
Sin embargo, en este caso utilizaremos los Líquidos Penetrantes.
2.2.4.17.1 Líquidos Penetrantes.
Sustancia liquida-química que revela grietas y otras discontinuidades abiertas a la
superficie en cualquier material no poroso.
2.2.4.17.2 Características de los Líquidos Penetrantes.
• Habilidad para penetrar orificios y aberturas muy pequeñas y estrechas.
• Habilidad de permanecer en aberturas amplias.
• Habilidad de mantener color o la fluorescencia.
• Habilidad de extenderse en capas muy finas.
• Resistencia a la evaporación.
• De fácil remoción de la superficie.
• De difícil eliminación una vez dentro de la discontinuidad.
• De fácil absorción de la discontinuidad.
• Atoxico.
• Inoloro.
• No corrosivo.
• Antiinflamable.
58
• Estable bajo condiciones de almacenamiento.
2.2.4.17.3 Ventajas de los Líquidos Penetrantes.
• Muy económico
• Inspección a simple vista
• No se destruye la pieza
• Se obtiene resultados inmediatos
2.2.4.17.4 Desventajas de los Líquidos Penetrantes.
• Solo detecta fallas superficiales
• Difícil establecimiento de patrones
• La superficie a inspeccionar debe estar limpia y sin recubrimientos
• No se puede inspeccionar materiales demasiado porosos.
2.2.4.17.5 Precauciones en la Aplicación de los Líquidos Penetrantes.
• Rociar el tinte penetrante a una distancia entre 10cm y 20cm sobre la pieza.
• Leer las indicaciones en el envase del tinte penetrante.
• Utilizar el tinte penetrante en lugares ventilados.
• Agitar el envase antes de ser utilizado.
• Evitar el contacto directo del penetrante con el cuerpo y la ropa.
2.2.4.17.6 Etapas del Ensayo con Líquidos Penetrantes.
• Limpieza previa de la pieza.
• Secado de la pieza.
• Inspección ocular previa de la pieza.
• Aplicación del tinte penetrante.
• Esperar el tiempo determinado por el envase. (Ej: 30 minutos)
• Remoción del exceso del penetrante.
59
• Aplicación del líquido revelador. Esperar el tiempo determinado por el
envase.
• Inspección y Limpieza final de la pieza.
2.2.4.18 Sistema de Variables.
A continuación se presentaran las definiciones conceptuales y operacionales a las
variables que fueron objetos en este estudio, que permitieron desarrollar el
procedimiento de soldadura FCAW. Las variables en estudio fueron:
1. Variables Dependiente o Esenciales.
� Amperaje.
� Voltaje.
� Alimentación de alambre.
� Soldadura FCAW.
� Soldadura MIG.
2. Variables Independientes.
� Inspección Visual y END.
� Análisis químico.
� Ensayo metalográfico.
� Ensayo de dureza.
60
2.2.5 Ensayo de Fractura.
Esta prueba se hace con el propósito de determinar que la soldadura este sana, la
probeta esta elaborada por soldadura de filete de una lámina plana en ángulo recto
con otra lámina. La probeta es luego fracturada por aplicación de presión en una
prensa o en una máquina de ensayo universal. La soldadura de filete es fracturada
desde la raíz. La fractura del metal de soldadura es luego examinada para buscar
defectos como son: inclusiones de escoria y óxidos, bolsas de gas, falta de fusión,
falta de penetración en la raíz y la desigual distribución del metal de soldadura.
2.2.6 Definición conceptual y operación de las variables.
Boca de visita.
Definición Conceptual: Es un elemento de acceso al interior del tanque, tiene una
tapa de material impermeable y de cierre hermético para evitar la entrada de
animales, insectos o agua contaminada dentro del tanque.
Definición Operacional: La boca de visita es una pieza empleada como parte de los
tanques T-5201A y T-5201B de almacenamiento de agua cruda para la planta
termoeléctrica complejo “Josefa Camejo”.
Inspección Visual y END.
Definición Conceptual: Se denomina ensayo no destructivo (también llamado END)
a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no altere de forma permanente
sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los ensayos no
destructivos implican un daño imperceptible o nulo. Los diferentes métodos de
ensayos no destructivos se basan en la aplicación de fenómenos físicos tales como
61
ondas electromagnéticas, acústicas, elásticas, emisión de partículas subatómicas,
capilaridad, absorción y cualquier tipo de prueba que no implique un daño
considerable a la muestra examinada.
Definición Operacional: Este procedimiento se aplica a la inspección visual de la
unión soldada, de planchas de acero de bajo carbono, del tipo ASTM A36, en
condición de: “cortes de láminas”, y luego sometido a soldadura semi-automática de
cada una de las probetas. (Proceso FCAW). “Inspección al 100%. Examen completo
de todo el cordón de soldadura especificado”.
Definición Conceptual: Se denomina ensayo no destructivo (también llamado END)
a cualquier tipo de prueba practicada a un material que no altere de forma permanente
sus propiedades físicas, químicas, mecánicas o dimensionales. Los ensayos no
destructivos implican un daño imperceptible o nulo. Los diferentes métodos de
ensayos no destructivos se basan en la aplicación de fenómenos físicos tales como
ondas electromagnéticas, acústicas, elásticas, emisión de partículas subatómicas,
capilaridad, absorción y cualquier tipo de prueba que no implique un daño
considerable a la muestra examinada.
Definición Operacional: Este procedimiento cubre el examen por el método de
Líquidos Penetrantes de las uniones soldadas filete plana, de las probetas de acero
estructural de tipo: ASTM A36 conformado en caliente, por el proceso FCAW y
MIG. “Las normas utilizadas para la caracterización y evaluación de las probetas
fueron: Norma AWS y la Norma para tanques API STANDARD 650”.
62
Análisis químico.
Definición Conceptual: Un análisis químico es un conjunto de técnicas y
procedimientos empleados para identificar y cuantificar la composición química de
los materiales. Puede ser cualitativo, es aquel donde se pretende identificar los
componentes de una muestra.
Definición Operacional: Para efecto de este estudio se tomó el análisis químico
realizado por la empresa proveedora YKPANHA- UKRAINE, el cual es suministrado
por el mismo fabricante y comprende el certificado Nº 13870 y 14072. El cual nos da
a conocer así el tipo de materia prima empleados para la fabricación de la boca de
visita.
Ensayo metalográfico.
Definición Conceptual: El ensayo metalográfico es la técnica que permite la
obtención y valoración de micrografías. Permite estudiar microscópicamente las
características estructurales o constitutivas de un metal o aleación.
Definición Operacional: Ensayo metalográfico se realizo para conocer las diferentes
microestructuras y fases presentes en cada una de las probetas puesto que no se tienen
ninguna especificación técnicas de esas piezas y las principales propiedades que se
deben conocer para cada una de las variables, a fin de tener información sobre cada
una de ellas.
63
Ensayo de dureza.
Definición Conceptual: El ensayo de dureza consiste en especificar la resistencia que
opone un material a ser penetrado. El valor de dureza obtenido en una prueba
determinada sirve solo como comparación entre materiales o tratamientos. El
tratamiento térmico o el trabajo efectuado en una pieza metálica resultan
generalmente en un cambio de dureza.
Definición Operacional: El cordón de soldadura es realizado por los procesos de
soldadura FCAW y MIG, los cuales deben poseer una buena resistencia y dureza
puesto que los requerimientos del cliente están contemplados en los mismos valores
de propiedades garantizados por el fabricante de los alambres tanto sólidos como
tubulares, por lo tanto se requiere conocer su dureza para su respectiva
caracterización.
Ensayo de Fractura
Definición conceptual: El ensayo de fractura consiste en fracturar una probeta de un
material hasta que aparezcan las grietas o fisuras, para analizar el perfil de la fractura
y la superficie de fractura por donde se han producido.
Definición Operacional: El ensayo de fractura se realizo a los cupones en estudio
para analizar la superficie de rotura y determinar el comportamiento de los cordones
de soldadura.
64
CAPÍTULO III
MARCO METODOLÓGICO
A continuación, se plantea el diseño metodológico empleado en la presente
investigación, en donde se indicará, el tipo de investigación, población y muestra,
instrumentos de recolección y el procedimiento a seguir.
3.1 Tipo de investigación.
De acuerdo con los tipos de investigación, el presente trabajo se considera
como una investigación experimental.
Experimental: Puesto que la información se obtiene de forma expresa y se lleva a
cabo con la sola intención de obtener no solo la información, sino también la
identificación de las características que se estudian, que controlan y se altera o
manipula con el fin de observar los resultados al tiempo que procura evitar que otros
factores intervengan en la observación.
Tal como lo establece Tevni Grajales G. (2000); file:///A|/investipos.htm (1 of 4)
La investigación experimental consiste en la
manipulación de una (o más) variable experimental no
comprobada, en condiciones rigurosamente controladas, con
el fin de describir de qué modo o por qué causa se produce
una situación o acontecimiento particular. El experimento
provocado por el investigador, le permite introducir
determinadas variables de estudio manipuladas por él, para
controlar el aumento o disminución de esas variables y su
efecto en las conductas observadas.
65
3.2 Diseño de la investigación.
La determinación de los parámetros utilizados por el proceso de soldadura FCAW y
MIG y reportar las variables de manera individual de las probetas sometidas a
estudio, con el objeto de dar respuesta al problema planteado y también, con el
propósito de interpretarlo, explicar sus causas y efectos ante un eventual
modificación. El diseño de la investigación es de campo, ya que se realizó la
selección de la muestra en su ambiente natural, en el área de taller de la empresa
COMMETASA.
3.3 Población y muestra.
3.3.1 Población.
En la empresa Complejo Metalúrgico de Cumaná (COMMETASA), la población esta
constituida por 4 piezas de la boca de visita del tanque de agua cruda para la planta
eléctrica “Josefa Camejo”de espesor 8mm y 13mm de acero A-36 como se muestra
ver la Fig. III. 24.
Fig. III. 24. Bocas de visita.
Cuello boca de visita de 8mm
Brida boca de visita de 13mm
66
3.3.2 Muestra.
Las muestras obtenidas por los procedimientos de soldadura MIG y FCAW
mediante la elaboración de cupones de prueba con junta de filete de espesor de 12
mm del mismo acero A-36 utilizado para la elaboración de los componentes de la
boca de visita, Los 4 cupones obtenidos de ambos procesos de soldadura se describen
a continuación:
• 3 cupones con el proceso de soldadura FCAW con diferentes variables.
• 1 cupones con el proceso de soldadura MIG con las variables operativas
actuales.
3.4 Técnicas de recolección de datos.
3.4.1 Encuestas.
Se realizaron encuestas no estructuradas a los supervisores y soldadores de la
empresa Complejo Metalúrgico Cumaná (COMMETASA), para así conocer las
condiciones de operación de equipos, parámetros y especificaciones de soldaduras
utilizadas, así como también los datos obtenidos de la especificación de
procedimiento de soladura para cada una.
3.4.2 Observación Directa.
Se realizó una inspección visual de las piezas en el instante del soldeo y luego en la
posterior revisión al terminar el procedimiento de soldeo.
67
3.4.3 Revisión Documental.
Esta etapa consiste en buscar todo los datos necesarios para obtener toda la
información relacionada con el problema planteado. En este caso se hizo una revisión
bibliográfica para ubicar textos, revistas, normas, publicaciones, manuales y paginas
web.
3.5 Instrumentos de Recolección.
Para llevar a cabo la siguiente investigación se requiere de los siguientes materiales y
equipo.
3.5.1 Materiales y Reactivos.
• Equipos de seguridad: casco, botas, lente.
• Secador y Alcohol.
• Paños de seda y billar.
• Alúmina de 1.0 y 0.05 micras.
• Agua, Nital.
• Lijas.
• Electrodo ER-70S6 y E71T-1.
Fig. III. 25. Reactivos utilizados para obtener la microestructura.
68
3.5.2 Equipos empleados.
• Máquina de soldar Lincoln Electric.
• Máquina de ensayos universal marca M.A.N.
• Líquidos penetrante, revelador, removedor marca Magnaflux.
• Durómetro.
• Desbastadora automática giratoria, Buehler LTD. Desbaste grueso.
• Desbastador manual marca Buehler LTD.Marca, Tipo Handimet II con lijas
(240, 320,400, 600) Desbaste fino.
• Mesa pulidora automática marca buehler.
Campana
Desbastadora automática giratoria Desbastador manual marca Buehler
LTD.Marca Buehler LTD. Desbaste grueso.
69
Pulido grueso (Paño de billar) Pulido Fino (Paño de Seda)
Fig. III. 26. Equipos utilizados para la preparación de las muestras.
Microscopio óptico electrónico marca Máquina para ensayo de Dureza marca
Olympus 1*70, con un analizador de Wolper, tipo Tester HT.
Imágenes PRO-PLUS, versión 3.0.
Fig. III. 27. Equipos utilizados para análisis de imágenes.
70
3.6 Procedimientos.
Para la elaboración de la presente investigación se realizaron los siguientes pasos:
3.6.1 Caracterizar el metal base para la soldadura de la boca de visita del tanque
de agua cruda, a través de ensayos químicos, metalúrgicos y mecánicos.
Los valores de composición química registrados para el material base se tomo del
certificado de calidad de la empresa proveedora YKPANHA/UKRAINE, el cual es el
registro que se tiene de ese material procesado como certificado Nº 13870 para
laminas de 8mm y Nº 14072 para láminas de 13mm, se realizó un análisis
metalográfico de acero A-36 mediante análisis de imágenes y para la caracterización
de las propiedades mecánica se realizó el ensayo de dureza Rockwell.
3.6.2 Establecer los parámetros de la especificación del procedimiento para el
proceso de soldadura FCAW mediante el estudio de las variables (operación,
especificaciones técnicas).
Toda la información acerca del comportamiento de proceso de soldadura FCAW fue
revidado por la documentación archivada en el departamento de Control de Calidad,
las páginas de información del fabricante y algunas bibliografías.
Se realizo un levantamiento de la información técnica de la empresa COMMETASA
sobre los procesos de soldadura FCAW y MIG, la cual esta registrada en las
especificaciones de Procedimiento de Soldadura EPS para cada proceso en especifico
ubicada en el departamento de Control de Calidad. Los nuevos parámetros a utilizar
para el proceso de soldadura FCAW están dentro del rango de los parámetros
recomendados por el fabricante. Los cambios fijados para estos valores de parámetros
requerirán de una nueva especificación del procedimiento de soldadura (EPS).
71
3.6.2.1 Procedimiento para la Fabricación de los cupones de prueba.
1. Obtención de cupones.
Los cupones fueron realizados de la siguiente forma:
Se cortaron 8 laminas de acero A-36, 4 con dimensiones de (150x100) mm y 4 de
(150x75) mm según el código ASME, Una vez preparada las láminas para los
cupones se procedió a soldar; se coloca el rollo de electrodo macizo ER-70S6 en la
maquina de soldar. Se empleo para la elaboración de los cupones una maquina de
soldar tipo LINCOLN ELECTRIC, el cual se usó tanto para el proceso de soldadura
MIG como para FCAW, y se ajustan los parámetros de la primera prueba de
soldadura, se toma el tiempo de soldadura, la lectura del gas de protección y los
parámetros reales en el momento del soldeo. Posteriormente se desmonta el alambre
y se cambia por el E71T-1 y de igual forma que en la primera prueba, se prepara la
superficie de las piezas y se realiza el soldeo de los cupones como se muestra en la
Fig. III. 28.
Fig. III. 28. Probetas realizadas por el proceso de soldadura MIG y FCAW
72
Luego de la elaboración de los cupones, se realizaron los ensayos no destructivos
(tintes penetrantes), y posteriormente se tomaron muestras para realizar el ensayo de
fractura, análisis metalográfico y de dureza. Estos cupones luego van a ser cortados
de la siguiente forma: Para cada cupón se corta media pulgada por cada lado y luego
un pedazo de una pulgada para cada uno de los cupones para obtener las muestras
representativa de cada cupón como se muestra en la Fig. III. 29.
Fig. III. 29. Muestras finales para ensayos.
3.6.3 Evaluar las uniones soldadas mediante el proceso MIG y FCAW, a través
de ensayos no destructivos (Inspección visual y líquidos penetrantes), análisis
metalográfico, macroataque, ensayo de dureza y de fractura, para su estudio
metalúrgico-mecánico.
• Ensayos no destructivos.
Se realizó una inspección visual y aplicación de Líquidos penetrantes a lo largo del
cordón de soldadura, tanto para los cupones del proceso de soldadura MIG y FCAW.
La preparación de los cupones antes de cortarla para evaluar de manera superficial el
cordón de soldadura, fue realizada en la empresa Complejo Metalúrgico Cumaná
(COMMETASA).
73
Inspección visual
Se hace una evaluación a simple vista o con el uso de equipos con un poco
más de aumento como una lupa, para inspeccionar si la soldadura tiene defectos
superficiales.
Pruebas con líquidos penetrantes.
1.- Se limpia la superficie de la soldadura para eliminar cualquier tipo de película o
material que pueda afectar la aplicación del tinte penetrante.
2.- Se aplica el tinte penetrante lavable con agua con una brocha y se deja 10 minutos
como lo recomienda el fabricante y la norma AWS.
3.- Se retira el tinte penetrante con una estopa con agua y luego se rocía el revelador
y se inspecciona observando si se reflejan los defectos.
• Análisis metalográfico.
Preparación metalográfica. Se llevó a cabo en el laboratorio de metalografía de la
Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice
rectorado Puerto Ordaz. La preparación de las muestras consistió de:
1. Corte de las muestras. Una vez realizadas los cupones de prueba, esta fueron
cortadas con una Cierra Cinta para llevarla a las dimensiones requeridas como se
muestra en la Fig. III. 30 .
74
.A) B)
C) D)
Fig. III. 30. Corte de las muestras. A) Soldadura MIG. B) Soldadura FCAW
condición 2. C) Soldadura FCAW condición 3. D) Soldadura FCAW Condición 4.
2. Desbaste grueso y fino. Este procedimiento se llevo a cabo en dos desbastadoras
tipo Buehler, las cuales fueron: una desbastadora automática con disco giratorio y lija
Nº 120 mallas/pulg2 para el desbaste grueso empleando agua como refrigerante para
evitar que haya sobrecalentamiento que produzcan cambios en la microestructura.
Este desbaste se lleva a cabo para eliminar imperfecciones como ralladuras muy
profundas, óxidos y lados muy afilados. El desbaste fino se realizo en una
desbastadora manual con lijas Nº 240, 320, 400 y 600 mallas/pulg2, empleando
también agua como refrigerante y se haciendo pasar la muestra por cada una de las
lija hasta obtener una superficie con ralladuras en un solo sentido y girándola 90º
como se muestra en la Fig. III. 31.
Fig. III. 31. Realización del desbaste grueso y fino.
75
3. Pulido grueso y fino. Se llevo a cabo en una mesa pulidora giratoria marca
Buehler empleando paño de Billar para el pulido grueso y paño de seda para el
pulido fino como se muestra en la Fig. III. 32. En esta etapa se eliminan las rayas del
desbaste manual apoyando la muestra sobre un paño ya sea de billar o seda. Se
empleo para el pulido grueso solución de Alumina de 1.0 micra, y para el pulido fino
una solución de alumina de 0.05 micra, hasta obtener una superficie especular libre
de rayas mostrada en la Fig. III. 33.
Fig. III. 32. Aplicación de solución de Alúmina para pulido grueso y fino.
Fig. III. 33. Pieza Pulida con superficie especular.
4. Ataque químico. Una vez pulida las muestras estas fueron atacadas, con una
solución de ácido férrico (FeCl3) por un tiempo de 20 s aproximadamente, para
observar el tamaño y colocación de cada constituyente. El ataque se realizo
sumergiendo la cara pulida de la probeta en el reactivo con un algodón y luego se
saca y lava con abundante agua y finalmente se seca con un secador de cabello.
76
• Macrografía.
Luego del ataque químico se realiza la macrografía a cada una de las muestras para
evaluar el perfil de la soldadura a fin de obtener las imágenes de la penetración de la
soldadura, dimensiones de los catetos de soldadura, esto se toma con una cámara
digital en la empresa COMMETASA.
Fig. III. 34. Elementos del perfil de soldadura.
La Fig. III. 34 muestra los elementos del perfil de soldadura según AWS, los cuales
identifican los catetos, concavidad, tamaño del cordón y fusión del metal base.
• Determinación de las propiedades mecánicas (Ensayo de dureza).
El ensayo de dureza se llevó a cabo en el laboratorio de ensayos mecánicos de la
Universidad Nacional Experimental Politécnica “Antonio José de Sucre” Vice
rectorado Puerto Ordaz. En los cuales se emplearon cuatro muestras como se muestra
en la Fig. III. 35. El ensayo se hizo en una máquina de ensayo Rockwell marca
Wolper tipo testor HT 2003, se hicieron 3 indentaciones en cada una de las muestras
las cuales son promediadas para obtener el valor de la dureza.
77
A) B)
C) D)
Fig. III. 35. Muestras para ensayo de dureza. A) Soldadura MIG. B) Soldadura FCAW
condición 2, C) Soldadura FCAW condición 3, D) Soldadura FCAW Condición 4.
• Ensayo de fractura
Una forma de verificar la penetración de cada uno de los procesos es sometiendo los
cupones al ensayo de fractura para verificar la cantidad de material base fundido en el
proceso de soldadura. La condición de hacerlo es: mediante una maquina de ensayo
universal marca M.A.N, colocar los cupones como se muestra en la Fig. III. 36 , y
fracturarlos hasta lograr que aparezcan las grietas, así saber el inicio de la
propagación de la fractura para determinar si el material base es desprendido o no a
fin de comprobar la penetración de cada proceso de soldadura, según la norma AWS
y el código ASME.
Fig. III. 36. Cupones para el ensayo de fractura.
78
3.6.5 Correlacionar las propiedades mecánicas y metalúrgicas obtenidas
mediante los procesos de soldadura MIG y FCAW sometidos a estudio.
Una vez obtenido todos los resultados se procederá a realizar un análisis, tanto de los
valores teóricos suministrados por el fabricante como los resultados obtenidos en la
realización de la metodología a fin de responder al objetivo de esta investigación.
79
CAPITULO IV.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN.
Una vez cumplidos los objetivos planteados, a continuación se muestran los
resultados obtenidos para cada una de las muestras estudiadas.
4.1 Caracterizar el metal base para la soldadura de la boca de visita del tanque
de agua cruda, a través de ensayos químicos, metalúrgicos y mecánicos.
4.1.1 Análisis Químico.
En la tabla IV. 4 y IV. 5, se presenta la composición química correspondiente a
valores de composición química registrados para el material base se tomo del
certificado de calidad de la empresa proveedora YKPANHA/UKRAINE, el cual es el
registro que se tiene de ese material procesado como certificado Nº 13870 para
laminas de 8mm y Nº 14072 para láminas de 13mm.
ASTM- A-36, Estándar ASTM A-36/A36M-01- Lámina de 8mm y 13mm
Tabla IV. 4. Composición Química ASTM- A-36 Lámina de 8mm
C % Mn % Si % S % P % Cr % Ni % Cu % Ti % Al % As % N % Mo % V % Nb % Ceq %11 72 20 18 18 4 2 1 0,2 42 2 7 1 6 5 23
Tabla IV. 5. Composición Química ASTM- A-36 Lámina de 13mm
C % Mn % Si % S % P % Cr % Ni % Cu % Ti % Al % As % N % Mo % V % N b % Ceq %13 67 24 16 24 4 2 3 0,1 43 2 7 1 6 4 24
Los valores de composición química registrada en la tabla IV. 4 y IV. 5. son típicos
para los aceros A-36, los cuales están dentro de los valores según la norma ASTM.
80
4.1.2 Análisis Metalográfico.
Características Metalúrgicas
Fig. IV. 37. Nivel de inclusiones y metalografía del metal base.
En la fig. IV. 37 se muestra los campos para el análisis microestructural tanto para el
acero de 8mm como para el de 13mm.
Microestructura del material base.
Campo 1 Campo 2
Fig. IV. 38. Nivel de inclusiones del material base, acero A-36 con una
magnificación de 100X, para el análisis del nivel de inclusiones se aplica la norma
ASTM E-45.
Campo 1
Campo 2
81
Como se observa en la Fig. IV. 38, se muestra las fotomicrografías de la
caracterización del metal base los cuales tienen inclusiones de óxidos globulares de la
serie delgada con un nivel de severidad del material base de 3 grado, los cuales están
dentro de los valores aceptables según la norma ASTM E-45.
Tamaño de grano, material base acero ASTM A-36.
Campo 1 Campo 2
Fig. IV. 39. Microestructura de un acero para estructura A-36, atacada químicamente
con una solución de ácido férrico y con una magnificación de 100X obtenida con el
analizador de imagen a diferentes campos.
La microestructura observada en la Fig. IV. 39, corresponde al material base para la
elaboración de la boca de visita. En la cual se observa una estructura de granos
bandeados ferritico-perlítico típica de los aceros de estructura A-36.
82
4.1.3 Ensayo de Dureza.
Para la caracterización mecánica se realizó ensayo de dureza Rocwell para el metal
base y se obtuvieron los valores de dureza mostrados en la tabla IV. 7.
Tabla IV. 7. Valores promedio de dureza del metal base
Material Escala Indentaciones Promedio Metal base HB 80 78 78 77 78 79 78,2
Los valores de dureza obtenidos por medio del ensayo de dureza para el material base
están dentro de los valores típicos para un acero ASTM A-36.
4.2 Establecer los parámetros de la especificación del procedimiento para el
proceso de soldadura FCAW mediante el estudio de las variables (operación,
especificaciones técnicas).
Los procesos FCAW y MIG/MAG están definidos como un proceso, de soldadura,
donde la fusión, se produce debido al arco eléctrico, que se forma entre un electrodo
(alambre continuo) y la pieza a soldar. La protección se obtiene a través de un gas,
que es suministrado en forma externa.
El comportamiento del arco, el tipo de transferencia del metal a través del mismo, la
penetración, forma del cordón, etc., están condicionados por una serie de parámetros
entre los que se destacan: Polaridad, Tensión de arco (Voltaje), Velocidad de
alimentación del alambre, Naturaleza del metal base.
83
En las tablas IV. 8, IV. 9, IV. 10, se observan las especificaciones técnicas operativas
para el proceso de soldadura FCAW, según las especificaciones técnicas del
procedimiento de soldadura del departamento de control de calidad de
COMMETASA, datos del fabricante WESTRODE y LINCOLN ELECTRIC
respectivamente. Mientras que para la obtención de los parámetros para el proceso
MIG se utilizó las especificaciones técnicas de procedimientos de soldadura del
departamento de control de calidad de COMMETASA como se muestra en la tabla
IV. 11.
Tabla IV. 8. Especificaciones técnicas operativas del proceso de soldadura FCAW
según del departamento de control de calidad de COMMETASA .
Corrt. (A)
Tensión (Volt)
Alambre (IPM)
Veloc. (mm/min)
Caudal (L/min)
Calor aport.(KJ/mm)
Ext.Alambre (mm)
240 25 450 180 20 - 10
250 31 550 240 37,5 - 13
Tabla IV. 9. Especificaciones técnicas operativas del proceso de soldadura FCAW
según datos y recomendaciones del fabricante WESTRODE.
Corrt. (A)
Tensión (Volt)
Alambre (IPM)
Veloc. (mm/min)
Caudal (L/min)
Calor aport.(KJ/mm)
Ext.Alambre (mm)
130 25 184 - 15-25 - 15-25
250 30 400 - 15-25 - 15-25
84
Tabla IV. 10. Especificaciones técnicas operativas del proceso de soldadura FCAW
según datos y recomendaciones del fabricante LINCOLN ELECTRIC.
Corrt. (A)
Tensión (Volt)
Alambre (IPM)
Veloc. (mm/min)
Caudal (L/min)
Calor de port. (KJ/mm)
Ext.Alambre (mm)
180 26 450 115 20 0,5-2,5 20
185 24 200 175 20 0,5-2,5 20
240 25 450 115 20 0,5-2,5 20
255 31 500 240 20 0,5-2,5 20
Tabla IV. 11. Especificaciones técnicas operativas del proceso de soldadura MIG
según datos del departamento de control de calidad.
Corrt. (A)
Tensión (Volt)
Alambre (IPM)
Veloc. (mm/min)
Caudal (L/min)
Calor de port. (KJ/mm)
Ext.Alambre (mm)
150-280 17-26 125-300 115-240 20 0,5-2,5 20
Según manuales de operación: Las Bocas de Visita están diseñadas para brindar fácil
acceso a la parte interna de los tanques de agua cruda T-5201A y T-5201B, fabricado
de acero estructural A-36.
El tamaño del cuello de la boca de visita va a depender del tamaño del tanque de
almacenamiento y de la ubicación de la boca de visita, ambos fabricados con acero
estructural A-36.
El acabado de las bocas de visita se obtiene luego de su armado y soldadura una etapa
de granallado y posteriormente una pintura anticorrosivo, este dispositivo (boca de
visita) esta diseñado para brindarle al interior del tanque un servicio periódico para el
buen funcionamiento del tanque de agua cruda por periodos cortos. La garantía de
que el tanque este sin fuga nos lo da el buen proceso de soldadura, las presiones
85
sometidas al tanque constantemente, nos permite aplicar un tipo de soldadura que
pueda garantizar una buena unión soldada.
La fabricación de estas Bocas de Visita es diseñada especialmente para tanques de
almacenamiento para el servicio de agua industria termoeléctrica “Josefa Camejo” en
tanques de 77695mm de diámetro y con una elevación de 11900mm.
Las Bocas de Visita están fabricadas con acero estructural A-36 de dos tipos de
espesores, 13mm y 8mm, los cuales los espesores de 8mm son cilindrados y luego
soldados. El espesor de 13mm es cortado y luego es unido por el proceso de
soldadura FCAW para obtener una unión entre el cuello y la brida.
Según datos suministrados por supervisores del taller y del departamento de control
de calidad, se tiene: las piezas elaboradas con el procedimiento de soldadura
estudiado FCAW serán utilizados para 2 tanque de almacenamiento de agua cruda de
la termoeléctrica “Josefa Camejo”, con un tiempo de vida útil igual al tiempo de
servicio del tanque.
De acuerdo con los manuales revisados en el departamento de aseguramiento de la
calidad y de la gerencia de producción, así como también con datos del fabricante, se
realizaron los cupones con 4 parámetros diferentes a fin de comparar cada una de sus
características finales. Los parámetros se muestran el la tabla IV. 12.
86
Tabla IV. 12. Parámetros utilizados para la elaboración de los cupones con el
proceso MIG y FCAW.
Cupón Electrodo
Espesor
del Tensión Corrt. Alimentación
Velocidad
de
Calor
Aportado Caudal Ext. del
(mm)
AWS
Acero
(mm) (Volt) (A)
Alambre
(IPM)
Soldeo
(mm/min) (KJ/mm) (L/min)
Alambre
(mm)
A ER70S-6 10 27 220 300 242,0 1,3 37,5 20
B E71T-1 10 24,7 181 250 192,6 1,3 37,5 20
C E71T-1 10 26 181 450 237,4 1,1 37,5 20
D E71T-1 10 26 204 300 220,5 1,3 37,5 20
Tabla IV. 13. Tiempos empleados en la elaboración de los cupones a diferentes
parámetros.
Los tiempos empleados para la elaboración de cada cupón, se tomaron con las
mismas distancias de soldadura, lo cual es posible calcular la velocidad de soldadura
y a su vez determinar el calor aportado por cada una de la soldadura como se muestra
en la tabla IV. 13.
Cupón Longitud Tiempo
(mm) (s)
A 150 37,19
B 150 46,74
C 150 37,91
D 150 40,82
87
Tabla IV. 14. Especificaciones técnicas de las muestras según especificación de
procedimiento de soldadura para FCAW y MIG.
N° Cupón
Muestra
Parámetros
Material
4
Soldadura FCAW y MIG
(A) Soldadura MIG.
(B, C, D) Soldadura FCAW.
(A) (B)
C) (D)
A) Proceso de soldadura MIG.
B) Proceso de soldadura
FCAW, condición 2.
C) Proceso de soldadura FCAW, condición 3.
D) Proceso de soldadura
FCAW, condición 4.
A-36
88
4.3 Evaluar las uniones soldadas mediante el proceso MIG y FCAW, a través de
ensayos no destructivos (inspección visual y líquidos penetrantes), análisis
metalográfico, macroataque, ensayo de dureza y fractura, para su estudio
metalúrgico-mecánico.
4.3.1 Evaluación superficial por el método de ensayos no destructivo
(inspección visual y tinte penetrante).
(A) Proceso de soldadura MIG. (B) Proceso de soldadura FCAW.
(C) Proceso de soldadura FCAW. (D) Proceso de soldadura FCAW.
Fig. IV. 40. Cupones (A), (B), (C), (D) realizadas por el proceso de soldadura
MIG y FCAW.
89
Una vez realizado la unión soldada se realizó la inspección visual según la norma
AWS sección 4, parte B; 4.8.1, en la evaluación a simple vista para la inspección del
cordón de soldadura A, B, C, D, realizado por el proceso MIG y FCAW no se
evidenció ningún tipo de defectos superficiales como se muestra en la fig. IV. 40.
(A) Proceso de soldadura MIG. (B) Proceso de soldadura FCAW.
(C) Proceso de soldadura FCAW. (D) Proceso de soldadura FCAW.
Fig. IV. 41. Cupones (A), (B), (C), (D) con tinte penetrante para determinar las
posibles apariciones de indicaciones superficiales en los cordones de soldaduras
elaborados con ambos procesos de soldadura a diferentes parámetros.
90
(A) Proceso de soldadura FCAW. (B) Proceso de soldadura FCAW.
(C) Proceso de soldadura FCAW. (D) Proceso de soldadura FCAW.
Fig. IV. 42. Cupones (A), (B), (C), (D) con revelador sin indicaciones.
Se realizó el ensayo no destructivo con líquidos penetrante para evaluar la superficie
soldada, los cuales no arrojaron ningún tipo de indicaciones, por lo que se verifica la
homogeneidad y continuidad de los cupones examinados. Esto se muestra en la fig.
IV. 41 y fig. IV. 42, las imágenes de los cupones ensayados con líquidos penetrantes
y luego de aplicar el revelador.
4.3.2 Análisis Metalográfico de las uniones soldadas.
Fig. IV. 43. Nivel de inclusiones del cordón de soldadura para todas las condiciones.
Campo 1
Campo 2
91
En la fig. IV. 43, se muestra las zonas para evaluar los niveles de inclusiones para
cada proceso de soldadura en todas las condiciones a evaluar.
Fig. IV. 44. Diferentes campos para la microestructura de las muestras.
Se realizaron ensayos metalográficos a cada una de las muestras y se tomaron sus
respectivas microfotografías a través del microscopio óptico, con el cual se observan,
A continuación, en la fig. IV. 44, las microestructuras obtenidas en el estudio de
vista lateral de la pieza y se describen los campos estudiados en el ensayo.
Campo 2
Campo 4
Campo 1
Campo 3
Campo 5
92
Microestructura de la muestra 1 por el proceso de soldadura MIG.
Campo 1 Campo 2
Fig. IV. 40. Nivel de inclusiones del cupón elaborado por el proceso MIG de un
acero estructural A-36 con una magnificación de 100X, para el análisis del nivel de
inclusiones se aplica la norma ASTM E-45.
En la Fig. IV. 40, se presentan la fotomicrografía correspondiente a los niveles de
inclusiones para el cupón elaborado con el proceso de soldadura MIG. Según la
norma ASTM E-45, son óxidos globulares de la serie delgada con un nivel de
severidad de grado 3, Determinando que es un cordón aceptable para el proceso MIG.
93
Microestructura de la muestra 1 por el proceso de soldadura MIG.
Campo 1 Campo 2
Campo 3 Campo 4
Campo 5
Fig. IV. 41. Microestructura de un acero estructural ASTM A-36, atacada
químicamente con y con una magnificación de 100X a diferentes campos, vista a
partir del metal base hasta el cordón de soldadura.
94
En la fig. IV. 41, muestran las microestructuras en las diferentes regiones. Se tiene
una región de transformación parcial (Campo 1), en la cual la temperatura máxima
durante la soldadura alcanzó la zona intercrítica, de tal forma que durante el
enfriamiento la austenita se transformó en ferrita y perlita. Conforme se aleja del
cordón (campo 2 y campo 3), la microestructura cambia en morfología, pues la ferrita
y la perlita se tornan poligonales, y el tamaño de grano se refina llegando a ser menor
que el del metal base. En la ZAT cercana al cordón de soldadura (Campo 4) se tiene
la región de crecimiento de grano, en la cual durante el calentamiento, el grano
austenítico creció, retransformando, durante el enfriamiento en ferrita primaria en
contorno de grano con placas de ferrita Widmanstäetten, y perlita en el espacio entre
las placas, finalmente en la zona de fusión (campo5), se tiene un microestructura
típica de solidificación, con granos columnares de ferrita creciendo en la dirección
del centro del cordón y con perlita en el espaciado interdendrítico.
Microestructura de la muestra 2 por el proceso de soldadura FCAW.
Campo 1
Fig. IV. 42. Nivel de inclusiones del cupón elaborado por el proceso FCAW de un
acero estructural ASTM A-36 con una magnificación de 100X, para el análisis del
nivel de inclusiones se aplica la norma ASTM E-45.
95
Para este proceso de soldadura se tiene inclusiones de óxidos globulares de la serie
delgada con un grado de severidad 3, según la norma la norma ASTM E-45
acompañados de una cierta cantidad de impurezas provenientes del proceso de
soldadura FCAW como se muestra en la Fig. IV. 42.
Microestructura de la muestra 2 por el proceso de soldadura FCAW.
Campo 1 Campo 2
Campo 3 Campo 4
96
Campo 5
Fig. IV. 43. Microestructura de la muestra Nº 2 soldada por FCAW, atacado
químicamente con una solución de ácido férrico y con una magnificación de 1000X a
diferentes campos, vista a partir del metal base hasta el cordón de soldadura.
En la Fig. IV. 43, se tienen regiones de transformaciones parciales mostradas en cada
uno de los campos al igual que para el cupón soldado con MIG, en la cual conforme
se aleja del cordón, la microestructura cambia su morfología, pues la ferrita y la
perlita se tornan poligonales durante el enfriamiento y luego se observa que la ferrita
primaria en contorno de grano mas finos con placas de ferrita Widmanstäetten y
perlita en el espacio entre las placas, finalmente en la zona de fusión, se tiene un
microestructura de granos finos de ferrita acicular y bainita, esta morfología es por lo
general placas orientadas en diferentes direcciones para la acicular, las cuales
nuclean a partir de las inclusiones presentes en el acero., el cual se ve favorecida por
la presencia de Ti y para la bainita se tienen direcciones paralelas unas placas con
respecto a otra, las cuales nuclean a partir de los bordes de granos de austenita. Es de
hacer notar que la zona afectada térmicamente para éste cupón es más pequeña que
para el cupón soldado con MIG.
97
Microestructura de la muestra 3 por el proceso de soldadura FCAW.
Campo 1
Fig. IV. 44. Nivel de inclusiones de la muestra elaborada por el proceso FCAW de un
acero estructural ASTM A-36 con una magnificación de 100X, para el análisis del
nivel de inclusiones se aplica la norma ASTM E-45.
Al igual que en los cupones anteriores en la Fig. IV. 44, se presentan inclusiones de
óxidos globulares de la serie delgada con un grado de severidad 3, según la norma
ASTM E-45, con una magnificación de 100X, acompañado de impurezas
provenientes del proceso de soldadura. Determinándose según la norma que es un
cordón aceptable para el proceso FCAW.
98
Microestructura de la muestra 3 por el proceso de soldadura FCAW.
Campo 1 Campo 2
Campo 3 Campo 4
Campo 5
Fig. IV. 45. Microestructura de la muestra N° 3 soldada por FCAW, atacado
químicamente con una solución de ácido férrico y con una magnificación de 100X a
diferentes campos, vista a partir del metal base hasta el cordón de soldadura.
99
En la Fig. IV. 45, se tienen regiones de transformaciones parciales mostradas en cada
uno de los campos al igual que para los cupones anteriores, conforme se aleja del
cordón de soldadura, la microestructura cambia su morfología, se observa la ferrita
primaria en contorno de grano finos con placas de ferrita Widmanstäetten, y perlita
en el espacio entre las placas, finalmente en la zona de fusión, se tiene un
microestructura de granos finos de ferrita acicular, esta morfología es por lo general
placas orientadas en diferentes direcciones, las cuales nuclean a partir de las
inclusiones presentes en el acero, el cual se ve favorecida por la presencia de Ti. Para
este cupón también la zona afectada térmicamente es más pequeña que para el cupón
soldado con MIG.
Microestructura de la muestra 4 por el proceso de soldadura FCAW.
Campo 1 Campo 2
Fig. IV. 46. Nivel de inclusiones de la muestra elaborado por el proceso FCAW de
un acero estructural ASTM A- con una magnificación de 100X, para el análisis del
nivel de inclusiones se aplica la norma ASTM E-45.
La Fig. IV. 46, muestra según la norma ASTM E-45 inclusiones de óxidos globulares
de la serie delgada con un grado de severidad 3 acompañados de una pequeña
cantidad de impurezas provenientes del proceso de soldadura, al igual que en los
100
cupones anteriores. Determinándose según la norma que es un cordón aceptable para
el proceso FCAW, ya que se considera un cordón limpio.
Microestructura de la muestra 4 por el proceso de soldadura FCAW.
Campo 1 Campo 2
Campo 3 Campo 4
101
Campo 5.
Fig. IV. 47. Microestructura de la muestra N° 4 soldada por FCAW, atacado
químicamente con una solución de ácido férrico y con una magnificación de 100X a
diferentes campos, vista a partir del metal base hasta el cordón de soldadura.
En la Fig. IV. 47, se presentan regiones de transformaciones parciales en cada uno de
los campos al igual que para los cupones anteriores, observándose las mismas
variaciones en la morfología del cupón 2 y 3., a pesar de elaborar los cupones con
diferentes valores de voltaje y amperaje.
4.3.3 Macroataque.
La macrografía es evaluada según el código ASME sección II parte C, SFA – 5.20,
identificando cada elemento del perfil de la soldadura como son: los catetos,
concavidad, fusión del metal base, penetración de raíz a fin de explicar las imágenes
de macrográficas de la soldadura, mostrada en la fig. IV. 48.
102
(A) Proceso de soldadura MIG. (B) Proceso de soldadura FCAW.
(C) Proceso de soldadura FCAW. (D) Proceso de soldadura FCAW.
Fig. IV. 48. Macrografía del perfil de soldadura, muestras A, B, C, D.
Analizando el perfil de la soldadura de la fig. IV. 48. Tenemos que según el código
ASME sección II parte C, SFA – 5.20, las dimensiones del filete de soldadura,
convexidad y catetos, están dentro de los valores aceptables por el código aplicado en
las muestras, el cateto teórico es de hasta menos 75%, para A= 9.5; 7.5 C= 8.84 ;7.50
y D= 9.0; 8.5. En cambio para la muestra B se observa poca altura en el cateto
vertical B= 7.0; 8.0 y Para la muestra C) se observa una convexidad superior al
teórico, convexidad teórica máxima permitida 1.5, convexidad real C = 2.16.
103
4.3.4 Ensayo de dureza
Fig. IV. 49. Indentaciones realizadas en el ensayo de Dureza
Se realizó el ensayo de dureza tomando 5 valores por cada una de las zonas
evaluadas, las cuales fueron el metal base, el cordón de soldadura y el ZAT, como se
muestra en la Fig. IV. 49.
Tabla IV.6. Resultados de ensayo de dureza. Proceso Muestra Zona Escala Número de indentaciones Promedio
Metal base 80 78 76 77 78 77,8 MIG Muestra 1 ZAT HRB 86 87 87 85 84 85,8
Cordón HRC 22 26 24 26 26 24,8 Metal base 71 70 71 71 72 71
FCAW Muestra 2 ZAT HB 86 87 86 89 89 87,4 Cordón HRC 25 25 27 28 28 26,6 Metal base 80 79 79 78 79 79
FCAW Muestra 3 ZAT HB 84 85 84 84 87 84,8 Cordón HRC 33 34 34 35 35 34,2 Metal base 77 78 78 78 79 78
FCAW Muestra 4 ZAT HB 89 93 95 88 90 91 Cordón HRC 28 28 29 30 29 28,8
Para los valores obtenidos en el ensayo de dureza mostrados en la tabla IV.6. Se
tomaron los valores promedios los cuales para el proceso de soldadura MIG
resultaron un poco mas bajos que para el proceso FCAW debido a que el fundente
104
presente en el alambre tubular genera una escoria ácida con componentes principales
de TiO2, SiO2, MnO, por lo que una combinación del sistema de escoria y los
microaleantes nos da como resultado una junta con un aumento el la tenacidad, y
resistencia, debido a una microestructura de fina ferrita acicular y menor cantidad de
ferrita en bordes de granos. Esto se debe a que la ferrita acicular posee bordes de
granos de alto ángulo, por lo que estas pueden deflectar considerablemente las grietas
frágiles, llegando incluso a detener su propagación y provocar así su enromamiento si
el tamaño de la misma no excede un tamaño crítico. .
Tabla IV.7. Resistencia a la tracción estimada.
Proceso Muestra Zona Escala Dureza
Promedio Resist. Tracción
(Psi)
Metal base HRB 77,8 69618,09
MIG Muestra 1 ZAT 85,8 79045,54
Cordón HRC 24,8 123282,03
Metal base HB 78 69618,09
FCAW Muestra 4 ZAT 91 92824,12
Cordón HRC 28,8 134885,04
Tomamos los valores de las muestras 1 y 4, que son las que fueron aceptadas según el
criterio del código ASME y el AWS, para representar los valores de dureza, escala
RHB y RHC en valores de resistencia a la tracción Psi, como se muestra en la tabla
IV.7.
105
4.3.5 Evaluación mediante el ensayo de fractura.
(A) Proceso de soldadura FCAW. (B) Proceso de soldadura FCAW.
(A) Proceso de soldadura FCAW. (B) Proceso de soldadura FCAW.
Fig. IV. 50. Ensayo fractura en cada cupón.
Como se muestra en la fig. IV. 50. Según el código ASME sección II parte C, SFA –
5.20, aplicaciones del ensayo de fractura en la empresa COMMETASA, el criterio de
aceptación para la evaluación de la unión soldada en la prueba de filete se basa en
fracturar la pieza soldada realizando el ensayo de fractura y observar la propagación
de la grieta, y así tomar los criterios de la forma siguiente:
• En el cupón A podemos observar que el inicio de la fractura esta en el fondo del
cordón de soldadura, luego se propaga a través del cordón de soldadura.
• Para el cupón B observamos que el inicio de la fractura está al igual que en el
cupón A en el fondo del cordón de soldadura, luego se propaga a través de la zona
afectada térmicamente desgarrando parte del material base.
106
• Para el cupón C, observamos el inicio de la fractura en el fondo del cordón de
soldadura, propagándose la grieta a través de la zona afectada térmicamente,
desgarrando material base al igual que para el cupón B.
• Por ultimo, en el cupón D observamos el inicio de la fractura en el fondo del
cordón de soldadura, luego la grieta se propaga a través del cordón de soldadura.
Según el código ASME, sección II parte C SFA - 5.20 (fractura), señala que cuando
el metal se desprende del material base durante la prueba de fractura esto es razón
para invalidar la prueba.
Es por esto que para el criterio de aceptación de la penetración y para garantizar una
buena unión soldada entre el metal base y el cordón de soldadura es el siguiente: Si el
cupón fractura por el cordón de soldadura se considera que la penetración es
suficiente y existe una buena unión entre el metal base y el cordón de soldadura, en
cambio si el material base es desprendido, entonces se o hubo una suficiente
penetración como para generar una buena unión soldada entre el metal base y el
cordón de soldadura.
107
4.4.5 Correlacionar las propiedades mecánicas y metalúrgicas de las juntas
obtenidas mediante los procesos de soldadura MIG y FCAW sometidos a
estudio.
De acuerdo con los resultados obtenidos podemos decir que:
Para los niveles de inclusiones obtenidas tanto para el proceso MIG como FCAW, el
grado de severidad es de 3, de inclusiones de óxidos globulares los cuales son
considerados uniones metálicas limpias. Las inspecciones visuales y la evaluación
con tinte penetrante determinaron la no aparición de indicaciones que pudieran ser
objeto de defectos presentes para ninguna de las muestras estudiadas tanto MIG como
FCAW.
En la microestructura se estudiaron 3 zonas principales definidas como metal base,
ZAT y cordón de soldadura, encontrándose las mismas características
microestructurales de ferrita acicular en los cupones A, B, C, para el proceso FCAW,
salvo para el proceso de soldadura MIG, en la que obtenemos brazos de la ferrita
Widmanstäetten con perlita en los espacios interdendríticos.
En lo que respecta a la macrografía se pudo observar que el perfil de la muestra 1 con
MIG es aceptable con valores dentro de lo exigido por el código ASME al igual que
el FCAW con las muestras 3 y 4. En cambio para la muestra 2, uno de los catetos de
soldadura tiene el valor por debajo de lo que estipula el código ASME para valores de
aceptación de juntas soldadas.
Para la fractura de los cupones A y D se observan que fracturaron a través del cordón
de soldadura, en cambio los cupones B y C fracturaron a través de los catetos
desgarrando material base.
108
Para la prueba de dureza tenemos que, los valores de dureza de las muestras 2, 3, 4
soldadas con FCAW están cercanos entre si, teniendo una leve diferencia con
respecto a la muestra 1. Esto se debe a las características de las microestructuras
obtenidas luego del proceso de soldadura como resultado del calentamiento y luego
un enfriamiento brusco, la presencia o no de elementos escorificantes y microaleantes
en la soldadura.
109
CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
CONCLUSIONES
• La microestructura del metal base consiste de ferrita y perlita típicas para los
aceros estructurales A-36, los niveles de inclusiones son de grado 3 clasificados en la
serie delgada de óxidos globulares y valores aceptado por la norma.
• Los procesos de soldadura MIG y FCAW son procesos similares, el tipo de
equipos a utilizar son iguales para este estudio, pero la única modificación es en el
tipo de electrodo utilizado, para el proceso MIG se utiliza ER70S-6 y para FCAW
E71T-1, las cuales provoca un cambio en los valores de los parámetros entre ambos
procesos. Los parámetros utilizados fueron obtenidos a través de un estudio realizado
entre varios fabricantes y los datos del departamento de Control de Calidad por medio
de sus procedimientos de soldadura.
• La apariencia de las uniones soldadas por cada uno de los procesos de soldadura
evaluadas por líquidos penetrantes es aceptable, mientras que para el ensayo de
fractura se observa una falta de penetración para la muestra 2 y 3 soldadas con el
proceso FCAW. La penetración de las muestras 1 y 4 están dentro de los valores
aceptables según el código ASME, tomando en consideración los criterios de
aceptación y evaluación de juntas soldadas. La microestructura obtenida es una ferrita
Widmanstäetten y perlita típica para el proceso MIG mientra que para el proceso
FCAW obtenemos una microestructura de ferrita acicular mejorando las propiedades
mecánicas de la junta, obteniendo características similares tanto en tamaños de grano
como en valores de dureza para las muestras B, C, D.
110
• Los valores obtenidos por ambos procesos están entre los valores aceptables, son
similares para los cupones 1 y 4, mientras que para los cupones 2 y 3 no son
recomendables tanto por presentar rechazo en la inspección visual del perfil de
soldadura como en los ensayos de fractura observándose desprendimiento del
material base lo cual es motivo de rechazar la prueba.
• De acuerdo a los resultados obtenidos mediante la presente investigación
demostró que si es posible sustituir el proceso MIG por el FCAW para la elaboración
de la boca de visita, con la obtención de propiedades similares en las pieza soldadas.
RECOMENDACIONES.
• Identificar el tipo de junta, el material base a soldar y la posición del soldeo para
determinar el tipo de electrodo tubular a utilizar para la elaboración de la unión
soldada.
• Realizar un estudio mas detallado sobre la serie de parámetros a optimizar para el
proceso FCAW a partir de los parámetros obtenidos en la presente investigación a
fin de establecer un rango de valores aceptables para uniones soldadas.
111
REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS.
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Edición. Mexico: Editorial McGraw-Hill.
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Sustitución de Importaciones en la empresa C.V.G Ferrominera Orinoco C.A
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Politécnica “Antonio José de Sucre”. Puerto Ordaz
MEHL, Robert. (1972). Metals Handbook. Atlas of Microestructures Alloys.
Octava Edición. Volumen 7. United Status.
BOYER, Howard. GALL, Timothy (1995). Metals Handbooks. American
Society for Metals. Desk Edition. United States.
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Continental.
ROJAS DE NARVAÉZ, Rosas. (1997). Orientaciones Prácticas para la
Elaboración de Informes de Investigación. Segunda Edición ampliada y
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112
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Wikipedia la enciclopedia libre. (2007). Prototipo. Disponible:
http://es.wikipedia.org/wiki/prototipo.
113
ANEXOS
114
TANQUES DE
ALMACENAMIENTOS.
COMPONENTES
FABRICACIÓN
NORMAS
BRIDAS
TUBERÍAS
PAREDES
BOCA DE VISITA
ARMADO
SOLDADURA
PROCEDIMIENTOS
Y ENSAYOS
PROBETAS
PROCESO DE SOLDADURA
MIG
PROCESO DE SOLDADURA
FCAW
115
116
117
Ensayo de dureza superficial
El ensayo de Dureza Superficial, mide la resistencia de un material a ser marcado por otro. Se prefiere el uso de materiales duros cuando éstos deben resistir el roce con otros elementos. Es el caso de las herramientas de construcción (palas, carretillas, pisos, tolvas). El ensayo es realizado con indentadores en forma de esferas, pirámides o conos. Estos elementos se cargan contra el material y se procede a medir el tamaño de la huella que dejan. Es un ensayo fácil y no destructivo; puede realizarse en cualquier sitio, ya que existen durímetros fácilmente transportables. Una de las ventajas del ensayo de dureza es que los valores entregados pueden usarse para hacer una estimación de la resistencia a la tracción. La dureza superficial puede aumentarse añadiendo al material una capa de carbono, en un tratamiento térmico denominado cementación. La clasificación y los métodos varían con cada material, dando origen a los números de dureza:
• HBN (Hardness Brinell Number) • HRA, HRB, HRC, ... (Hardness Rockwell series A, B, C, ...) • HVN (Hardness Vickers Number)
... entre otros. A continuación se detalla el procedimiento y el cálculo de cada uno de estos números estandarizados.
Ensayo BRINELL.
Indentador: Esfera de 10mm de acero o carburo de tungsteno.
Carga = P
Fórmula: HBN =
Ensayo VICKERS
Indentador: Pirámide de diamante
Carga = P
Fórmula: HVN = 1,72
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Ensayo ROCKWELL A, C, D
Indentador: Cono de diamante (HRA, HRC, HRD)
Carga:
PA = 60 Kg PC = 150 Kg PD = 100 Kg
Formula: HRA, HRC, HRD = 100 - 500t
Ensayo ROCKWELL B, F, G, E
Indentador:
Esfera de acero f = 1/16 ‘’ (HRB, HRF, HRG)
Esfera de acero f = 1/8 ‘’ (HRE)
Carga:
PB = 100 Kg PF = 60 Kg PG = 150 Kg PE = 100 Kg
Formula: HRB, HRF, HRG, HRE = 130 - 500t
La Tabla siguiente muestra las equivalencias entre algunos de los números de dureza
119
superficial y presenta una estimación de la resistencia a la tracción.
Dureza Rockwell
Dureza Vickers
HV
Dureza Brinell HB HRB HRC
Resistencia a la Tensión
N/mm2.
80 76 255
85 80,7 41 270
90 85,5 48 285
95 90,2 52 305
100 95 56,2 320
105 99,8 335
110 105 52,3 350
115 109 370
120 114 66,7 385
125 119 400
130 124 71,2 415
135 128 430
140 133 75 450
145 138 465
150 143 78,7 480
155 147 495
160 152 510
165 156 530
170 162 85 545
175 166 560
180 171 87,1 575
185 176 595
190 181 89,5 610
195 185 625
200 190 91,5 640
205 195 92,5 660
210 199 93,5 675
215 204 94 690
220 209 95 705
225 214 96 720
230 219 96,7 740
235 223 755
240 228 98,1 20,3 770
245 233 21,3 785
120
250 238 99,5 22,2 800
255 242 23,1 820
260 247 24 835
265 252 24,8 850
270 257 25,6 865
275 261 26,4 880
280 266 27,1 900
285 271 27,8 915
290 276 28,5 930
295 280 29,2 950
300 285 29,8 965
310 295 31 995
320 304 32,2 1030
330 314 33,3 1060
340 323 34,4 1095
350 333 35,5 1125
360 342 36,6 1155
370 352 37,7 1190
380 361 38,8 1220
390 371 39,8 1255
400 380 40,8 1290
410 390 41,8 1320
420 399 42,7 1350
430 409 43,6 1385
440 418 44,5 1420
450 428 45,3 1455
460 437 46,1 1485
470 447 46,9 1520
480 (456) 47,7 1555
490 (466) 48,4 1595
500 (475) 49,1 1630
510 (485) 49,8 1665
520 (494) 50,9 1700
530 (504) 51,1 1740
540 (513) 51,7 1775
550 (523) 52,3 1810
560 (532) 53 1845
570 (542) 53,6 1880
121
580 (551) 54,1 1920
590 (561) 54,7 1955
600 (570) 55,2 2030
610 (580) 55,7 2070
620 (589) 56,3 2105
630 (599) 56,8 2145
640 (608) 57,3 2180
650 (618) 57,8
660 58,3
670 58,8
680 59,2
690 59,7
700 60,1
720 61
740 61,8
760 62,5
780 63,3
800 64
820 64,7
840 65,3
860 65,9
880 66,4
900 67
920 67,5
940 68
Escala Comparativa de Grados de Dureza con una Estimación de la Resistencia a la Tracción
122
En particular, los inventores han evaluado las características relacionadas con la formación de estructuras de ferrita acicular o bainita, caracterizadas por elevada densidad de dislocaciones, en comparación con las estructuras tradicionales de ferrita de grado delgado poligonal. Por medio del control de la microestructura se puede mejorar la tenacidad de un metal soldado, pero se requiere tomar en cuenta la composición química del metal soldado. En forma general se ha aceptado que la ferrita acicular es la microestructura óptima para aceros al C-Mn soldados,
Se ha reconocido que debido a la formación de
una microestructura de ferrita acicular, se puede alcanzar una excelente resistencia mecánica y tenacidad en metales soldados, lo cual es debido a adiciones de aleantes como el titanio. Este efecto benéfico se ha asociado a la formación de compuestos de titanio en la interfase entre inclusión y matriz. Los compuestos de titanio son el resultado de la reacción con el carbón, oxígeno y nitrógeno y que han nucleado en inclusiones largas o precipitados finos. Menón estudio el efecto de la composición química de las inclusiones sobre la nucleación de la ferrita y concluyó que ésta es fuertemente influenciada por el contenido de aluminio en la soldadura. Evans y otros realizaron un estudio del efecto del contenido de boro y titanio en las soldaduras y determinaron que la fracción en volumen de la ferrita se incrementa con el aumento del titanio y bajos contenidos de boro. La formación de baínita se promueve con un exceso de titanio
Nakajima y otros puntualizaron que la densidad de inclusiones de
titanio juega un papel muy importante en el tamaño y morfología de la ferrita formada en las soldaduras. De templado o enfriamiento rápido al aire o enfriamiento al agua de aceros de bajo carbono (<0,08 %C). Poseen una adecuada templabilidad a transformar bainita los aceros de bajo carbono (ferrita acicular). Esta microestructura ofrece una excelente combinación de alto esfuerzo de fluencia (275-690 MPa ó 60-100 Ksi) excelente soldabilidad, formabilidad y alta tenacidad controlando el laminado si es necesario para bajar la temperatura de transición.
123
El objetivo de este trabajo fue estudiar el efecto de adiciones de TiO2 en los fundentes sobre la
microestructura y propiedades mecánicas de soldaduras realizadas por arco sumergido en placas de acero ASTM A-36 1. INTRODUCCION
Con el fin de mejorar las propiedades mecánicas de los aceros estructurales, en los últimos años se viene considerando la posibilidad de producir microestructuras de ferrita acicular y/o bainitas como alternativas a la clásica microestructura ferrito-perlítica [1]. La ferrita acicular y la bainita se forman en el mismo rango de temperaturas y mediante el mismo mecanismo de transformación. La principal diferencia entre ambas fases reside en que la nucleación de ferrita acicular se inicia en las inclusiones presentes en el acero, mientras que la nucleación de bainita ocurre en las juntas de grano de austenita. La bainita presenta una morfología de paquetes compuestos por placas paralelas con desorientaciones cristalográficas bajas mientras que la morfología de la ferrita acicular es por lo general más caótica con placas orientadas en diferentes direcciones [2]. Como se sabe, la tenacidad de un acero depende entre otros factores de la densidad de juntas de alto ángulo presentes en su microestructura ya que estas juntas pueden deflectar considerablemente las grietas frágiles, llegando incluso a detener su propagación y provocar su enromamiento si el tamaño de la misma no excede un tamaño crítico [3]. Generalmente se atribuye a la ferrita acicular una mayor densidad de juntas de alto ángulo que a las microestructuras bainíticas y por tanto una mejor tenacidad [4]. La unidad microestructural que controla la tenacidad de una microestructura bainítica ha sido identificada por algunos autores con el paquete bainítico [5,6]. Sin embargo, debido a su mayor complejidad, en las microestructuras de ferrita acicular no se ha podido hasta ahora definir de forma precisa y caracterizar esta unidad microestructural. La ferrita acicular se asocia principalmente con las soldaduras, donde su formación se ve favorecida por la alta densidad de óxidos así como por los grandes tamaños de grano de austenita generados ambos durante el proceso de soldadura. En las soldaduras se reconoce el efecto beneficioso que la ferrita acicular tiene en las propiedades mecánicas [7]. Desde hace unos años, se vienen haciendo esfuerzos para producir microestructuras aciculares no sólo en las soldaduras de aceros estructurales sino también en el material base con el propósito de mejorar su resistencia y tenacidad [8]. La ferrita acicular se considera también como una alternativa cuando no es posible, por las condiciones del proceso, lograr un refinamiento suficiente del tamaño de grano de austenita durante la laminación en caliente del acero. La producción de ferrita acicular requiere de una distribución apropiada de inclusiones dentro del material. Para alcanzar este objetivo, se ha propuesto la inoculación de partículas en aceros estructurales, basadas principalmente en prácticas de desoxidación con Ti [2]. Por otro lado, se ha constatado, en aceros de bajo y medio contenido en carbono producidos industrialmente, que la presencia natural de partículas compuestas por un núcleo de MnS recubierto por una capa de CuS favorecen la nucleación de ferrita acicular [9,10]. En el presente trabajo se han generado mediante tratamientos isotérmicos estructuras de tipo acicular y bainíticas en un acero producido industrialmente con una microestructura de partida ferrito-perlítica. Tras su caracterización mecánica, se han empleado las técnicas
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