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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

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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

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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

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80 80

81 84 85 85 85 86 89 90 91

91 92 94 94

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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

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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..........................................................................

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70 71 72

76 77 76 77 78 79 80 81

83 85

87 88 89 90 90 91

92 92 93

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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

85

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

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Edición. Mexico: Editorial McGraw-Hill.

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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

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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