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UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
INFLUENCIA DEL MODO DE TRANSFERENCIA DEL APORTE EN UN PROCESO GMAW SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y
MICROESTRUCTURALES DE UN ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO AISI-304
CUTILLO F. ALFONSO J
PEÑA L. JOSE R.
Valencia, Noviembre de 2009
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
INFLUENCIA DEL MODO DE TRANSFERENCIA DEL APORTE EN UN PROCESO GMAW SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y
MICROESTRUCTURALES DE UN ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO AISI-304
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE
UNIVERSIDAD DE CARABOBO PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO MECÁNICO
TUTOR: ING. TORRES, CARMELO CUTILLO F. ALFONSO J
PEÑA L. JOSE R.
Valencia, Noviembre de 2009
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
CERTIFICADO DE APROBACIÓN Quienes suscriben, Miembros del Jurado designado por el Consejo de Escuela de Ingeniería Mecánica para examinar la Tesis de Pregrado titulada “INFLUENCIA DEL MODO DE TRANSFERENCIA DEL APORTE EN UN PROCESO GMAW SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y MICROESTRUCTURALES DE UN ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO AISI-304”, presentada por los bachilleres: Cutillo Alfonso y Peña José, portadores de la Cédula de Identidad Nº: 17.776.949 y 18.257.071, respectivamente; hacemos constar que hemos revisado y aprobado el mencionado trabajo.
_______________________
Prof. Carmelo Torres, Ing. Presidente del jurado
_______________________ Prof. Franklin Camejo, Ing.
Miembro del jurado
________________________ Prof. Luis Sidorova, Ing.
Miembro del jurado
En Naguanagua a los 06 días del mes de Noviembre de 2009
AAggrraaddeecciimmiieennttooss
Al profesor Carmelo Torres por brindarnos toda su ayuda, apoyo y colaboración a lo largo de la realización de este Trabajo Especial de Grado.
A ININCA por habernos permitido la realización de las uniones soldadas, facilitando sus equipos, material y personal calificado.
A todas las personas que nos prestaron su colaboración en la realización de este trabajo.
A los técnicos y personal calificado del laboratorio de materiales de la Facultad de Ingeniería Mecánica.
DDeeddiiccaattoorriiaa
A Dios primeramente por darme todas las fuerzas y energías para
alcanzar mi meta.
A mis padres, por darme la vida y estar siempre a mi lado,
brindándome todo su amor, apoyo, confianza. Por enseñarme que
siempre hay que esforzarse y luchar para alcanzar las metas. Gracias
por ser siempre mi fuente de inspiración.
A mis hermanos por contar siempre con ellos, darme todo su apoyo y
colaboración en todo momento de mi vida.
A una persona muy especial para mí, por siempre apoyarme y
ayudarme en todo momento incondicionalmente, por amarme,
brindarme su compañía y ser una inspiración en mi vida.
. A mi compañero de tesis por brindarme su amistad, su confianza y
su apoyo. Por haber alcanzado nuestra meta.
Alfonso J. Cutillo F.
Primeramente a Dios por iluminar mis pasos y acompañarme durante todo el
tiempo de mi vida y a todos los de arriba que me acompañan siempre.
A mis padres por su dedicación por darme la vida, confianza, amor, mucha
paciencia y todo su apoyo incondicional para seguir adelante además de ser
la base fundamental y soporte principal en el desarrollo de todos los
aspectos de mi vida, en especial la culminación de mi carrera, sin ellos no
creo que lo lograría. Gracias por creer en mí.
A mis hermanas por su, amistad, consejos, amor, confianza y esa seguridad
de que lograría cumplir con esta gran meta.
A mi novia que es esa persona tan especial para mí que siempre estuvo
conmigo apoyándome, dándome fuerzas para que no decayera y siguiera
luchando por mis objetivos, a ella por su amor, compañía, ayuda y apoyo
incondicional.
A mi compañero de tesis por toda la ayuda que de una forma desinteresada
me ofreció.
A mi amigo Franklin López que siempre me ayudó, apoyó, me dio su
consejo y me tendió su mano en los momentos que más lo necesité.
José R. Peña L.
DDeeddiiccaattoorriiaa
RReessuummeenn
La soldadura GMAW es uno de los procesos más utilizados en la actualidad
para la unión de los aceros y de la mayoría de los metales no ferrosos y sus
aleaciones. Entre los tipos de soldadura que comprenden la GMAW está el
proceso de soldado básico MIG el cual incluye tres técnicas o forma de
transferencia muy distintas como lo son: Transferencia por Cortocircuito,
Transferencia Globular y la Transferencia por Arco Rociado; estas técnicas
describen la forma como el metal es transferido desde el alambre (electrodo)
hasta la soldadura, es por ello que surge la necesidad de evaluar la
influencia del modo de transferencia del material de aporte sobre las
propiedades mecánicas y microestructurales del metal base. Para evaluar la
influencia del aporte de material sobre las propiedades mecánicas se
realizaron ensayos de tracción, doblado y microdureza; mientras que para
evaluar las propiedades microestructurales se realizó un análisis de
microscopia óptica. Obteniendo mayores valores de dureza en las juntas
soldadas mediante la transferencia de aporte por corto circuito, mayor
resistencia a la tracción en las juntas soldadas mediante la transferencia por
arco rociado, lo que implica mayor ductilidad en las juntas; y mejor
uniformidad, penetración y distribución del material de aporte en las juntas
soldadas por corto circuito. Se recomienda realizar estudios de las juntas
mediante ensayos de impacto, área de penetración y ensayos de fatiga, para
así tener mayor información acerca de la influencia del modo de aporte de
material en un acero austenítico.
i
ÍÍnnddiiccee ggeenneerraall
Índice general i Índice de figuras iv Índice de tablas vi
Introducción 1 CAPÍTULO I El Problema 3 1.1 Situación problemática, 3 1.2 Planteamiento del problema, 3 1.3 Objetivos, 4 1.3.1 Objetivo General, 4 1.3.2 Objetivos Específicos, 4 1.4 Justificación, 5 1.5 Delimitación, 5 1.6 Limitaciones, 6 1.7 Antecedentes, 6 CAPÍTULO II Marco teórico 11 2.1 Aceros, 11 2.1.1 Concepto, 11 2.1.2 Microestructuras de los aceros, 11 2.1.3 Soldabilidad de los aceros, 17 2.1.3.1 Soldadura por arco eléctrico, 18
2.1.3.2 Elementos presentes en la soldadura por arco eléctrico, 18
Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
ii
2.1.4 Metalurgia de la soldadura, 21 2.1.4.1 Dependencia de la soldabilidad metalúrgica, 21 2.1.5 Calidad de la Soldadura, 22 2.1.6 Fundamentos y teoría de soldadura con arco eléctrico con gas inerte, proceso (GMAW / MIG), 24 2.1.6.1 Descripción general, 25 2.1.6.2 Clasificación AWS para los metales de aporte electrodos de baja aleación de acero para la soldadura de arco protegida por gas, 29 2.1.6.3 Clasificación AWS para los metales de aporte electrodos de acero al carbono para soldadura de arco protegida por gas, 30 2.1.6.4 Control de la porosidad, 31 2.1.6.5 Influencia del gas y el arco de soldadura, 31 2.1.6.6 Equipo para soldadura MIG generador de soldadura, 32 2.1.6.6.1 Beneficios del sistema MIG, 33 2.1.6.7 Técnica de soldadura MIG por corto circuito, 34 2.1.6.8 Técnica de rociado de la soldadura MIG, 35 2.1.6.7 Técnica de deposición globular de la soldadura MIG, 37
CAPÍTULO III Marco metodológico 39 3.1 Nivel de la investigación, 39 3.2 Diseño de la investigación, 40 3.3 Población y muestra, 42 3.4 Materiales y equipos a utilizar, 42 3.5 Herramientas a utilizar, 43 3.6 Procedimiento experimental, 43 3.6.1 Caracterización de los materiales, 43 3.6.2 Preparación de las probetas, 45 3.7 Ensayos experimentales en las probetas soldadas, 48 3.7.1 Ensayo de tracción, 48 3.7.2 Ensayo de doblado, 51 3.7.3 Ensayo metalográfico, 52 3.7.3.1 Estudio Macroscópico, 52 3.7.3.2 Estudio Microscópico, 52 3.7.4 Ensayo de dureza, 53
Índice general
iii
CAPÍTULO IV Análisis de resultados 55 4.1 Resultados de los estudios de tracción, 55 4.2 Análisis del ensayo de tracción, 60 4.3 Resultados del ensayo de doblado, 61 4.4 Análisis del ensayo de doblado, 65 4.5 Estudio de macroscopía, 67 4.6 Análisis del ensayo de macroscopía, 68 4.7 Estudio de microscopía, 69 4.8 Análisis del ensayo de microscopía, 72 4.9 Ensayo de microdureza Vickers, 73 4.10 Análisis del ensayo de microdureza Vickers, 76 CAPÍTULO V Conclusiones y Recomendaciones 77 5.1 Conclusiones, 77 5.2 Recomendaciones, 78 Referencias Bibliográficas 80 Anexos 82
iv
ÍÍnnddiiccee ddee ffiigguurraass
II.1 Diagrama Hierro-Carbono 12 II.2 Estructura de WIDMANSTAETTEN observada en hierro meteorito 16 II.3 Diagrama de Hannemann, que las condiciones de formación de la
estructura Widmanstaetten
16 II.4 Soldadura por arco eléctrico 19 II.5 Zonas afectadas por el calor en una unión soldada 22 II.6 Soldadura metálica con arco eléctrico y gas (GMAW) 25 II.7 Pistola para soldadura metálica con arco eléctrico y gas 26 II.8 Operación realizada mediante el proceso MIG 26 II.9 Técnicas de transferencia del metal hasta la soldadura fundida en
la soldadura MIG
28 II.10 Equipo para soldadura GMAW (MIG) 32 II.11 Técnica de Rociado 36 III.1 Flujograma Experimental 41 III.2 Diseño de la junta 46 III.3 Plano para representar cada porción de lámina para la
elaboración de las probetas.
47 III.4 Maquina de ensayo de tracción 49 III.5 Probeta para el ensayo de tracción 49 III.6 Probeta para el ensayo de doblado 51 III.7 Equipo para ataques electrolíticos marca Electromet. 53 III.8 Microdurómetro de huella de base piramidal marca BUEHLER. 54 IV.1 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas
soldadas mediante el aporte de material por Corto Circuito.
56
Índice de figuras
v
IV.2 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas soldadas mediante el aporte de material de tipo Globular.
56
IV.3 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas soldadas mediante el aporte de material por Arco Rociado.
57
IV.4 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación del material base.
57
IV.5 Gráfica Esfuerzo de Fluencia vs Modos de Aporte. 58 IV.6 Gráfica Esfuerzo Máximo vs Modos de Aporte. 58 IV.7 Comparación del comportamiento entre el Esfuerzo de Fluencia y
el Esfuerzo Máximo.
59 IV.8 Gráfica de Deformación máxima vs. Modo de aporte 59 IV.9 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas
de doblado soldadas mediante el aporte de material por Corto Circuito.
62 IV.10 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las
probetas de doblado soldadas mediante el aporte de material de tipo globular.
62 IV.11 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las
probetas de doblado soldadas mediante el aporte de material por Arco Rociado.
63 IV.12 Macroscopía de la probeta soldada con aporte por Corto
Circuito.
67 IV.13 Macroscopía de la probeta soldada con aporte de tipo Globular. 67 IV.14 Macroscopía de la probeta soldada con aporte por Arco
Rociado. 68
IV.15 Microestructura de la probeta soldada con aporte por Corto Circuito
69
IV.16 Microestructura de la probeta soldada con aporte Globular 70 IV.17 Microestructura de la probeta soldada con aporte por Arco
Rociado
71 IV.18 Zonas de estudio de las probetas para microdureza. 73 IV.19 Gráfica de microdureza de la probeta soldada mediante el
aporte por Corto Circuito.
74 IV.20 Gráfica de microdureza de la probeta soldada mediante el
aporte de tipo Globular.
74 IV.21 Gráfica de microdureza de la probeta soldada mediante el
aporte por Arco Rociado.
75 IV.22 Gráfica de Dureza Vickers vs. Modos de aporte de material,
estudiando Cordón de Soldadura y Zona Afectada.
75
vi
ÍÍnnddiiccee ddee ttaabbllaass
II.1 Rangos de corriente óptimos para el cortocircuito con diferentes
diámetros de alambres
34 II.2 Rangos de corriente óptimos para el generar el método de rociado
en la soldadura MIG, con diferentes diámetros de alambres
35 III.1 Composición Química del acero inoxidable AISI 304 44 III.2 Propiedades mecánicas del acero inoxidable AISI 304 44 III.3 Composición química del metal depositado AWS – ER308 45 III.4 Parámetros de soldadura para los distintos modos de
transferencia 46
IV.1 Resultados del ensayo de tracción de probetas soldadas por
GMAW según modo de transferencia
60 IV.2 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas
con aporte de tipo Corto circuito IV.3 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas
con aporte de tipo Globular.
63
64
IV.4 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas con aporte de tipo Arco rociado
65
IV.5 Resultados de los ensayos de Dureza en las zonas de estudio para los distintos modos de aporte de material
73
Introducción
En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de
acero con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa. El acero
inoxidable es resistente a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales
que contiene, posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él
formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro. Sin
embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a
que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o
picaduras generalizadas. Contiene, por definición, un mínimo de 10,5% de
cromo. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos
aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno. La incorporación de
este acero en la industria se debe al desarrollo de nuevas tecnologías de
unión como el proceso de soldadura GMAW (gas metal arc welding) o
Soldadura MIG (metal inert gas) el cual es uno de los más empleados para la
unión de los aceros y de la mayoría de los metales no ferrosos y sus
aleaciones. Su principal característica es la alimentación automática de un
consumible (electrodo continuo), que es protegido externamente por un gas.
El gas de protección en la soldadura GMAW es un elemento significativo y
tercer miembro trípode que conforma el proceso: fuente de poder-material de
aporte-gas de protección. Aunque es reconocido que el gas representa sólo
un pequeño porcentaje en el costo total de producción, su correcta elección
2 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
puede producir ahorros significativos debido a un aumento en la
productividad, calidad una disminución de costos, a través de obtener
cordones de soldadura bien conformados y libres de defectos.
La unión soldada ha de poseer las propiedades físicas y mecánicas
necesarias para desempeñar su función esperada en servicio. Por tal motivo
surge la idea de evaluar la influencia del modo de transferencia del aporte en
un proceso GMAW sobre las propiedades mecánicas y microestructurales de
un acero inoxidable austenítico AISI-304 la influencia del flujo de gas
protector en la unión de juntas soldadas de acero bajo carbono mediante los
procesos arco de rociado, globular y cortocircuito (GMAW). El
comportamiento mecánico resultante se evaluó mediante ensayos de
tracción, ensayos de dureza y posteriormente la observación microscópica de
las condiciones tratadas.
El utilizar este tipo de soldadura sobre el acero al austenítico AISI-304
nos permitió establecer una buena selección de los parámetros de soldadura,
garantizando una buena calidad de los cordones de soldadura
CCAAPPÍÍTTUULLOO II
EEll PPrroobblleemmaa
1.1 Situación problemática
La soldadura MIG es uno de los tipos de soldadura más utilizado en la
actualidad debido a las ventajas y beneficios que este proceso presenta. En
este tipo de soldadura existen diversos medios de transferencia del material
de aporte entre los cuales se tienen el de transferencia por cortocircuito,
transferencia globular y transferencia de arco rociado (Spray), se desea
determinar cuál de estos medios nos ofrece las propiedades mecánicas y
microestructurales más adecuadas sobre el cordón de soldadura realizado
en el acero inoxidable austenítico, para distintas aplicaciones donde se utiliza
cada uno de los modos de transferencia del aporte de material.
1.2 Planteamiento del Problema
La soldadura GMAW (Gas Metal Arc Welding) es uno de los procesos
más utilizados en la actualidad para la unión de los aceros y de la mayoría de
los metales no ferrosos y sus aleaciones. Entre los tipos de soldadura que
comprenden la GMAW está el proceso de soldado básico MIG (Metal Inert
Gas) el cual incluye tres técnicas o forma de transferencia muy distintas
4 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
como lo son: Transferencia por Cortocircuito, Transferencia Globular y la
Transferencia por Arco Rociado (Spray); estas técnicas describen la forma
como el metal es transferido desde el alambre (electrodo) hasta la soldadura.
Una de las principales interrogantes que se presentan al momento de
realizar soldadura MIG sobre un acero inoxidable austenítico es cuál de los
métodos de transferencia es el más adecuado para distintos procesos de
soldadura y también como cada uno de ellos hace variar o no las
propiedades mecánicas y metalográficas del metal. Como en todo proceso,
para la soldadura se busca obtener un proceso óptimo que en este caso
sería un cordón de soldadura resistente y con un mínimo de defectos
(porosidades, grietas).
Debido a estas interrogantes surge la iniciativa o necesidad de
obtener datos experimentales (Dureza, Tenacidad, Cambios en la
microestructura) sobre la forma cómo afecta el modo de transferencia del
aporte en un proceso de soldadura GMAW en las propiedades del metal, y
así poder conocer el comportamiento mecánico y microestructural de un
acero inoxidable austenítico.
1.3 Objetivos
11..33..11 OObbjjeettiivvoo GGeenneerraall
Evaluar la influencia del modo de transferencia del aporte sobre las
propiedades mecánicas y microestructurales en un acero inoxidable
austenítico AISI-304.
11..33..22 OObbjjeettiivvooss EEssppeeccííffiiccooss
Caracterizar al acero inoxidable austenítico en su estado inicial.
Capítulo I. El Problema 5
Determinar los parámetros de trabajo para la ejecución de la
soldadura según el modo de transferencia por “Cortocircuito”,
“Globular” y por “Arco Rociado”.
Caracterizar las juntas soldadas y establecer comparaciones entre
ellas.
Definir la influencia del modo de transferencia del material de aporte
sobre las propiedades mecánicas y microestructurales en la junta
soldada del acero inoxidable austenítico AISI-304.
1.4 Justificación
Esta investigación tiene fundamental importancia para el conocimiento
de la soldabilidad de las juntas soldadas en acero inoxidable austenítico
AISI-304 y tiene como finalidad evaluar la influencia del modo de
transferencia del material de aporte sobre las propiedades mecánicas y
microestructurales del cordón de soldadura, así como obtener una data de
los parámetros para los tres modo de transferencia a utilizar (cortocircuito,
globular y arco rociado) que sirvan de apoyo y ayuda para la actividad diaria
y para futuras investigaciones en este proceso de soldadura.
1.5 Delimitación
Se utilizaron tres modos de transferencia, los cuales son Transferencia
por “Cortocircuito”, Transferencia “Globular” y Transferencia por “Arco
Rociado”.
Se restringió el gas de protección a 100% Argón.
Tipo de Acero Inoxidable austenítico utilizado AISI-304.
Se utilizaron un total de veintisiete (27) replicas para la realización de los
ensayos.
6 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Soldadura MIG
Tipo de junta usada: A tope.
El material de aporte utilizado: AWS – ER308.
Las conclusiones acerca de la influencia del modo de transferencia sobre
la soldadura fueron dadas en función a los resultados obtenidos en los
ensayos de tracción, ensayos de dureza, doblado, y microscopia óptica
sobre los especímenes de estudio.
1.6 Limitaciones
Las soldaduras las realizó un soldador calificado y en áreas externas a la
Universidad de Carabobo.
Disponibilidad de los laboratorios de la Universidad de Carabobo para
realizar los ensayos.
Información sobre los distintos modos de transferencia para soldadura
MIG.
1.7 Antecedentes
INVESTIGACIÓN DE LOS FENÓMENOS METALÚRGICOS Y
COMPORTAMIENTO A FATIGA DE UNIONES SOLDADAS MEDIANTE
PROCESO MIG DE LA ALEACIÓN AW 7020.
Autor: BLOEM IRAZABAL CARLOS ALBERTO.
Año: 1999.
Universidad: POLITÉCNICA DE VALENCIA.
La presente investigación aborda el estudio y evaluación del comportamiento
a fatiga de diferentes uniones soldadas, mediante procedimiento MIG,
Capítulo I. El Problema 7
considerando variables de pre-soldeo, del estado térmico del metal base y
post-soldeo. Para la selección, estado metalúrgico del metal base se realizó
una evaluación, tanto microestructural como mecánica; y del comportamiento
de la aleación. Se obtuvo un modelo de envejecimiento que evalúa la
evolución de un indicador mecánico en función de los parámetros de
envejecimiento. Para la realización de las uniones se estableció una
metodología de soldeo en la que se incluye tanto los parámetros de proceso,
como el procedimiento para la evaluación de las uniones soldadas,
asegurando así la homogeneidad en las características de la unión. Se
evaluaron dos procedimientos de soldeo diferentes, y ampliamente utilizados
en la industria, con la finalidad de estudiar cual presenta mayores cambios
en la respuesta a fatiga con las diferentes variables, y una fiabilidad en las
características de la unión que garantice una repetitividad en los ensayos a
fatiga. La diferencia entre los procesos consistió tanto en el nivel energético
aportado como en el número de pasadas. Dentro de las posibles opciones de
preparación de juntas se seleccionó dos de las más empleadas
industrialmente: a tope y con bisel. Se evaluó, además, dos acabados
mecánicos post-soldeo, sobre la morfología del sobrecordón, para minimizar
el efecto de entalla del mismo. Trabajaron con eliminación completa del
sobrecordón, mediante un amolado, y suavizándolo sin llegar a eliminarlo por
completo. Se propuso un modelo matemático que se ajusta a los datos
experimentales obtenidos en las uniones soldadas y en el que se contempla
la influencia sobre las juntas anteriormente citadas. Este modelo pretende
predecir, con fiabilidad, la respuesta a fatiga de uniones soldadas de
aluminio, considerando el efecto de variables como la preparación de juntas,
al estado metalúrgico de la lámina y la morfología del sobrecordón.
8 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
OPTIMIZACIÓN DE UN PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA MIG PARA
LA ALEACIÓN DE ALUMINIO AA 6061-T6 A TRAVÉS DEL CONTROL
DEL CALOR SUMINISTRADO.
Autor: TORRES SALCEDO JAIME ELIAS.
Año: 2000.
Universidad: POLITÉCNICA DE VALENCIA.
Se realizó una investigación para optimizar un procedimiento de soldadura
GMAW (GAS METAL ARC WELDING), también llamado procedimiento MIG,
que ha incluido la aplicación de unos tratamientos térmicos y mecánicos
realizados en forma técnica y económica con posterioridad a la soldadura de
pletinas de la aleación de Aluminio AA 6061-T6. Para llegar a la optimización
del proceso de soldeo, se estudió, en forma adecuada, la microestructura de
la unión y especialmente de la zona afectada por el calor durante el proceso
de aporte de material, haciendo una evaluación de los niveles de
precipitación, mediante la microscopía electrónica de transmisión y óptica,
respaldada por el análisis térmico diferencial de los fenómenos metalúrgicos
y la variación de las propiedades mecánicas que se generan en la zona
afectada por el calor, la zona fundida y las zonas de transición. Además se
utilizó un programa comercial de simulación mediante el cálculo por
elementos finitos, el cual permitió realizar la modelación de los ciclos
térmicos, generados por el soldeo MIG de la aleación AA 6061-T6,
lográndose predicciones con márgenes de desviación en el entorno de 3%.
El seguimiento de los indicadores mecánicos, mediante los ensayos
normalizados, permitió optimizar la respuesta mecánica de la unión en
función de las variables de soldeo investigadas y especialmente en función
del calor de aporte. Se midieron las temperaturas alcanzadas en diferentes
puntos de la unión soldada y la microdureza, a través de la junta soldada, en
Capítulo I. El Problema 9
probetas extraídas para el ensayo de tracción. La mayor parte de las fallas
en las muestras ensayadas a tensión ocurrieron en la zona de transición de
la soldadura, justo en un plano de mínima dureza confirmando con ello las
hipótesis emitidas.
CONTROL DEL PROCESO DE SOLDADURA MIG A TRAVÉS DEL
ANÁLISIS DE VARIANCIA
Autor: EVERALDO CÉSAR DE CASTRO (UnC), ANGELO MARCELO
TUSSET (UnC), PEDROLUIZ DE PAULA FILHO (UnC), ANTONIO PEDRO
TESSARO (UnC).
Año: 2008.
Universidad: UNIVERSITY OF CONTESTADO (BRAZIL, UnC)
En este trabajo se realizó un estudio entre el proceso de soldadura manual y
el proceso robotizado considerando piezas preparadas con y sin bisel.
Ensayos de tracción mostraron que los cuerpos de pruebas soldadas por una
célula robotizada presentan fuerzas de ruptura más elevadas. Análisis de
microestructura y ensayos de dureza apuntaron pequeñas diferencias entre
la soldadura robotizada y la manual. Con la aplicación del Análisis de
Variancia (ANOVA) se verificó que el bisel influye significativamente en la
calidad de la soldadura.
INFLUENCIA DEL FLUJO DE GAS PROTECTOR EN LAS PROPIEDADES
MECÁNICAS Y METALÚRGICAS EN JUNTAS SOLDADAS DE ACERO A-
36 USANDO UN PROCESO DE ROCIADOR Y CORTOCIRCUITO.
Autor: RODRIGUEZ M. INDIRA, ESPAÑA D. CARMEN
10 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Año: 2006.
Universidad: UNIVERDAD DE CARABOBO.
En este trabajo se realizó un estudio con el fin de determinar la
influencia del flujo de gas protector en la unión de juntas soldadas de acero
bajo carbono mediante los procesos de rociador y cortocircuito (GMAW). El
comportamiento mecánico resultante se evaluó mediante ensayos de
tracción, ensayos de dureza y posteriormente la observación microscópica de
las condiciones tratadas, lo que permitió establecer que el flujo y el método
que ofrece mayor uniformidad en cuanto a penetración, ancho del cordón,
mejor acabado de superficie en el estudio macroscópico, y una mejor
formación de granos en la microscopía fue la muestra a la que se le aplicó el
método de cortocircuito con un flujo de Argón de 80 (pie3/h).
CCAAPPÍÍTTUULLOO IIII
MMaarrccoo TTeeóórriiccoo
2. Bases teóricas
22..11 AAcceerrooss
22..11..11 CCoonncceeppttoo
Los aceros son esencialmente aleaciones, de hierro y carbono hasta
aproximadamente un 2 por 100 de carbono. Sin embargo, la mayoría de los
aceros contienen menos de un 0.5 por 100 de carbono. La mayor parte del
acero se fabrica por oxidación del carbono y otras impurezas en el arrabio
hasta que el contenido de carbono en el hierro se reduce al nivel requerido.
22..11..22 MMiiccrrooeessttrruuccttuurraass ddee llooss aacceerrooss
Los constituyentes metálicos que pueden presentarse en los aceros al
carbono son: ferrita, cementita, perlita, sorbita, troostita, martensita, bainita, y
rara vez austenita, aunque nunca como único constituyente. También
pueden estar presentes constituyentes no metálicos como óxidos, silicatos,
12 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
sulfuros y aluminatos. El análisis de las microestructuras de los aceros al
carbono recocidos y fundiciones blancas debe realizarse en base al
diagrama meta-estable Hierrocarburo de hierro o Cementita. Estas
microestructuras pueden observarse en el Diagrama Hierro- Carbono que se
muestra en la figura II.1.
Figura II.1: Diagrama Hierro-Carbono Fuente: Trabajo de grado infomeca área de materiales
Las estructuras que presenta el diagrama de equilibrio (fig II.1) son:
• Ferrita
Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la
temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se
considera como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro
alfa es de 0,02% a 723ºC. La ferrita es la fase más blanda y dúctil de los
aceros, cristaliza en la red cúbica centrada en el cuerpo, tiene una dureza de
90 Brinell y una resistencia a la tracción de 28 Kg/mm2, llegando hasta un
Capítulo II. Marco Teórico 13
alargamiento del 40%. La ferrita se observa al microscopio como granos
poligonales claros.
• Cementita
Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6,67 %C y 93,33 %
de hierro, es el micro constituyente más duro y frágil de los aceros al carbono
alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 RC) Y cristaliza en la red
ortorrómbica.
• Perlita
Es el microconstituyente eutectoide formado por capas alternadas de
ferrita y cementita, compuesta por el 88 % de ferrita y 12 % de cementita,
contiene el 0,8 %C. Tiene una dureza de 250 Brinell, resistencia a la tracción
de 80 Kg/mrn2 y un alargamiento del 15%; el nombre de perlita se debe a las
irisaciones que adquiere al iluminarla, parecidas a las perlas. La perlita
aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la
transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C.
• Austenita
Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una
solución sólida por inserción de carbono en hierro ganma. La cantidad de
carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la
temperatura de 1130°C. La austenita no es estable a la temperatura
ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados
austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente. La
austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, con una
dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 Kg/mm2 y un
14 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
alargamiento del 30 %, no es magnética
• Martensita
Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una
solución sólida sobre saturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se
obtiene por enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a
altas temperaturas.
El contenido de carbono suele variar desde muy poco carbono hasta el 1%
de carbono, sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono
hasta un máximo de 0.7 %C.
• Perlita Fina
Es un agregado muy fino de cementita y ferrita, se produce por un
enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento ligeramente
inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita
en el rango de temperatura de 500 a 600°C, o por revenido a 400°C.
Sus propiedades físicas son intermedias entre la martensita y la
sorbita, tiene una dureza de 400 a 500 Brinell, una resistencia a la tracción
de 140 a 175 Kg/mm2 y un alargamiento del 5 al 10%. Es un constituyente
nodular oscuro con estructura radial apreciable a unos 1000X y aparece
generalmente acompañando a la martensita y a la austenita.
• Sorbita
Es también un agregado fino de cementita y ferrita. Se obtiene por
enfriamiento de la austenita con una velocidad de enfriamiento bastante
Capítulo II. Marco Teórico 15
inferior a la crítica de temple o por transformación isotérmica de la austenita
en la zona de 600 a 650°C, o por revenido a la temperatura de 600°C. Su
dureza es de 250 a 400 Brinell, su resistencia a la tracción es de 88 a 140
Kg/mm2, con un alargamiento del 10 al 20%.
• Bainita
Es el constituyente que se obtiene en la transformación isotérmica de la
austenita cuando la temperatura del baño de enfriamiento es de 250 a
500°C. Se diferencian dos tipos de estructuras: la bainita superior de aspecto
arborescente formada a 500-580°C, compuesta por una matriz ferrítica
conteniendo carburos. Bainita inferior, formada a 250-400°C tiene un aspecto
acicular similar a la martensita y constituida por agujas alargadas de ferrita
que contienen delgadas placas de carburos.
• Widmanstaetten:
Esta caracterizada por una simetría que sigue tres o cuatro
direcciones privilegiadas, y se manifestó en seguida como una estructura de
fragilidad de los aceros tal como se observa en la figura II.2. El dominio de la
formación de esta estructura es limitado a (C= 0.2% a 0.4%) cuando los
sobrecalentamientos son pequeños (fig. II.3a), y se extiende por el lado de
las concentraciones bajas de carbono cuando la temperatura de
sobrecalentamiento crece (fig. II.3b). Esta estructura está caracterizada por
depósitos paralelos a los planos de deslizamiento, su aparición depende de
la composición química del metal, tamaño del hierro y velocidad de
enfriamiento. En las juntas soldadas la estructura Widmanstaetten puede
formarse en el metal fundido y metal base sobrecalentado, también aparece
a veces, en las piezas de gran masa sometidas a oxicorte. La aparición de
16 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
esta estructura esta unida, aparte de a la composición química, al ciclo
térmico impuesto por el soldeo, el cual depende del procedimiento y métodos
a soldar.
Figura II.2. Estructura de WIDMANSTAETTEN observada en hierro meteorito.
Precipitación de los constituyentes siguiendo los planos cristalográficos del octaedro, con lo
que se originan dos o tres direcciones.
Fuente: metalurgia de la soldadura, trabajo realizado por Daniel Seferian.
Figura II.3. Diagrama de Hannemann, que las condiciones de formación de la estructura
Widmanstaetten para las siguientes calentamientos: en la proximidades de la temperatura
A3(722) fig.II.3.a, a las temperaturas de sobrecalentamiento II.3b. Fuente: Metalurgia de la soldadura, trabajo realizado por Daniel Seferian.
Capítulo II. Marco Teórico 17
22..11..33 SSoollddaabbiilliiddaadd ddee llooss aacceerrooss
Se puede decir que la soldabilidad de un acero se define como la
respuesta que presenta el acero a los ciclos térmicos en un ambiente
determinado y durante la operación de soldadura.
El riesgo de agrietamiento en un acero soldado, o sea, grado de
soldabilidad, puede correlacionarse con las siguientes variables: contenido
de hidrógeno, micro estructura (composición química y tasa de enfriamiento)
y el nivel de tensiones aplicada.
Así pues, se tiene que tanto la composición química como la tasa de
enfriamiento aplicada, controlan prácticamente la microestructura final del
acero, por consiguiente son factores importantes que determinan la
soldabilidad.
La soldabilidad puede abordarse bajo los tres aspectos siguientes:
La soldabilidad operatoria, relativa a la operación de soldadura,
estudia las condiciones de realización de las uniones por fusión o por
cualquier otro procedimiento, por ejemplo, por presión.
La soldabilidad metalúrgica, relativa a las modificaciones físico -
químicas resultado de la operación de soldadura.
La soldabilidad constructiva o global, que se dedica a definir las
propiedades de conjunto de la construcción por la sensibilidad de la
unión o la deformación y a la rotura bajo efecto de las tensiones.
Así pues, se dice que un metal o aleación es soldable si satisface a
estas tres condiciones. La primera es perentoria, si un metal es refractario al
arco o si no puede dar una unión continua, no es soldable. De un modo
18 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
general, puede realizarse la soldadura de los metales y aleaciones
industriales ya sea de forma indirecta o mediante el empleo de un artificio.
La soldabilidad metalúrgica está ligada a las transformaciones que
sufre el metal o aleación durante la unión. Este término debe tomarse en su
más amplio sentido; efectivamente, la transformación puede afectar las
características mecánicas.
Por último la soldabilidad constructiva es fusión de otras propiedades
físicas del metal: dilatación - contracción, produciendo deformaciones y
creando tensiones que son origen de grietas que pueden tener su nacimiento
en la soldadura.
Estas breves consideraciones hacen ver la complejidad del problema
que lleva a establecer una serie de condiciones que han de satisfacer los
metales soldables.
2.1.3.1 Soldadura por arco eléctrico
Para realizar una soldadura por arco eléctrico se induce una
diferencia de potencial entre el electrodo y la pieza a soldar, con lo cual se
ioniza el aire entre ellos y pasa a ser conductor, de modo que se cierra el
circuito y se crea el arco eléctrico. El calor del arco funde parcialmente el
material de base y funde el material de aporte, el cual se deposita y crea el
cordón de soldadura como se muestra en la figura II.4.
2.1.3.2 Elementos presentes en la soldadura por arco eléctrico:
Electrodo: Son varillas metálicas preparadas para servir como polo del
circuito; en su extremo se genera el arco. En algunos casos, sirven
Capítulo II. Marco Teórico 19
también como material fundente. La varilla metálica a menudo va
recubierta de distintos materiales, en función de la pieza a soldar y del
procedimiento empleado.
Figura II.4. Soldadura por arco eléctrico
Fuente: Trabajo de grado de UMSS, Facultad de ciencias y Tecnología.
Plasma: Está compuesto por electrones que transportan la corriente y
que van del polo negativo al positivo, de iones metálicos que van del
polo positivo al negativo, de átomos gaseosos que se van ionizando y
estabilizándose conforme pierden o ganan electrones, y de productos
de la fusión tales como vapores que ayudarán a la formación de una
atmósfera protectora. Esta zona alcanza la mayor temperatura del
proceso.
Llama: Es la zona que envuelve al plasma y presenta menor
temperatura que éste, formada por átomos que se disocian y
20 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
recombinan desprendiendo calor por la combustión del revestimiento
del electrodo. Otorga al arco eléctrico su forma cónica.
Baño de fusión: La acción calorífica del arco provoca la fusión del
material, donde parte de éste se mezcla con el material de aportación
del electrodo, provocando la soldadura de las piezas una vez
solidificado.
Cráter: Surco producido por el calentamiento del metal. Su forma y
profundidad vendrán dadas por el poder de penetración del electrodo.
Cordón de soldadura: Está constituido por el metal base y el material
de aportación del electrodo y se pueden diferenciar dos partes: la
escoria, compuesta por impurezas que son segregadas durante la
solidificación y que posteriormente son eliminadas, y el sobre espesor,
formado por la parte útil del material de aportación y parte del metal
base, que es lo que compone la soldadura en sí.
Actualmente el método de soldadura por arco eléctrico es el
procedimiento industrial más utilizado para la unión de aceros y otros
metales no ferrosos. Este tipo de soldadura se clasifica según la atmósfera
que rodea al arco eléctrico, o según la naturaleza del electrodo.
Esta clasificación es la siguiente:
Soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido (SMAW).
Soladura por arco eléctrico con electrodo de grafito.
Soldadura por arco eléctrico en medio gaseoso reductor o por
hidrógeno atómico.
Soldadura por arco eléctrico en medio de gaseoso inerte (GTAW;
Capítulo II. Marco Teórico 21
GMAW).
Soldadura por arco eléctrico bajo un flujo conductor.
Soldadura por arco eléctrico con presión.
En este trabajo se aplicaron los métodos de soldadura en medio de gas
inerte (GMAW), utilizando proceso de cortocircuito, globular y Rociado.
22..11..44 MMeettaalluurrggiiaa ddee llaa ssoollddaadduurraa
La metalurgia de la soldadura se ocupa de estudiar las modificaciones
físicas y químicas que resultan de la operación de este proceso, como una
forma de comparar las diferentes propiedades metalúrgicas de la unión
soldada. Por consiguiente, se puede decir que el estudio de la metalurgia de
la soldadura es necesario para llevar a cabo este trabajo de investigación,
cuyo propósito es principalmente evaluar las propiedades mecánicas de la
soldadura.
2.1.4.1 La soldabilidad metalúrgica depende de dos factores
1.- El proceso de soldadura, el cual fue descrito como soldadura en medio de
gas inerte (GMAW).
2.- La microestructura obtenida, como se puede observar a continuación.
Los granos aparecen primero en la línea de fusión, en donde la
temperatura es relativamente baja y crecen con rapidez diferente, porque al
aumentar de tamaño y al hacer presión los cristales unos con otros, cada uno
actúan de acuerdo con el estado de su crecimiento. Sin embargo, los granos
en crecimiento pueden empujar hacia fuera las inclusiones metálicas, hasta
22 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
la superficie de la soldadura. Esta es la razón por la cual en la soldadura que
se aplica hacia arriba, la escoria aparece sobre la superficie de la soldadura
y no flotando hacia la raíz del cordón. No se trata de flotación en absoluto
sino de un estado en el que el material no metálico es forzado hacia fuera del
metal líquido al comenzar a formarse los cristales y a hacer presión unos con
otros.
Figura II.5: Zonas afectadas por el calor en una unión soldada.
Fuente: Trabajo de grado, Evaluación de las propiedades mecánicas de un acero ASTM-36
sometido a diferentes condiciones de hidrogeno inducido en uniones soldadas, UC
22..11..55 CCaalliiddaadd ddee llaa ssoollddaadduurraa
La unión soldada debe tener las cualidades necesarias para
desempeñar su función esperada en servicio. Para ello, la unión ha de
poseer las propiedades físicas y mecánicas requeridas, y para esto pueden
ser necesarias ciertas microestructuras y composición química. También son
Capítulo II. Marco Teórico 23
importantes el tamaño y la forma de la soldadura, así como la integridad de la
unión. En todos estos aspectos influyen los materiales base, los materiales
de soldadura y la manera de soldar. La soldadura por arco de metal protegido
es un proceso manual, y la calidad de la unión depende de la habilidad del
soldador que la produce. Por esta razón, es preciso seleccionar con cuidado
los materiales que se usarán, el soldador debe ser apto, y el procedimiento
que use debe ser el correcto.
También se debe tener en cuenta para una soldadura de calidad los
siguientes parámetros:
a) Corriente de soldadura
La soldadura por arco de metal protegido puede efectuarse con
corriente tanto alterna como continua, siempre que se use el electrodo
adecuado. El tipo de corriente de soldadura, la polaridad y los constituyentes
de la cobertura afectan la rapidez de fusión de todos los electrodos cubiertos.
Para un electrodo determinado, la rapidez de fusión se relaciona
directamente con la energía eléctrica suministrada al arco. Parte de esta
energía se destina a fundir una porción del metal base, y otra parte sirve para
fundir el electrodo.
b) Corriente continua
La corriente continua siempre produce un arco más estable y una
transferencia de metal más uniforme que la corriente alterna. Esto se debe a
que la polaridad de la corriente no está cambiando todo el tiempo como
sucede con la corriente alterna. La mayor parte de los electrodos cubiertos
trabajan mejor con polaridad inversa (electrodo positivo). La polaridad
inversa logra mayor penetración, pero la directa aumenta la rapidez de fusión
del electrodo.
24 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
El arco de corriente continua hace que el charco de soldadura recubra
mejor las superficies de unión y produce una franja de soldadura de
dimensiones más uniformes, incluso con amperajes bajos. Por esta razón, la
corriente continua es ideal para soldar secciones delgadas. La corriente
continua es preferida para soldar en posición vertical y también para soldar
con arco corto.
c) Amperaje
Los electrodos cubiertos con tamaño y especificación específicos
pueden operar de manera satisfactoria a diversos amperajes dentro de cierto
intervalo. Este intervalo varía dependiendo del espesor y la formulación de la
cobertura para un tipo y tamaño de electrodo, el amperaje óptimo depende
de varios factores como la posición de la soldadura y el tipo de unión. El
amperaje debe ser suficiente para obtener una buena fusión y penetración
sin perder el control del charco de soldadura.
22..11..66 FFuunnddaammeennttooss yy tteeoorrííaa ddee ssoollddaadduurraa ppoorr aarrccoo eellééccttrriiccoo ccoonn ggaass
iinneerrttee,, pprroocceessoo ((GGMMAAWW // MMIIGG))..
En la soldadura MIG, como su nombre indica, el gas es inerte; no
participa en modo alguno en la reacción de soldadura como podemos
observar en la figura II.6. Su función es proteger la zona crítica de la
soldadura de oxidaciones e impurezas exteriores. Se emplean usualmente
los mismos gases que en el caso de electrodo no consumible, argón, menos
frecuentemente helio, y mezcla de ambos.
El uso de este método de soldadura MIG es cada vez más frecuente
en el sector industrial. En la actualidad, es uno de los métodos más utilizados
en Europa occidental, Estados Unidos y Japón en soldaduras de fábrica. Ello
Capítulo II. Marco Teórico 25
se debe, entre otras cosas, a su elevada productividad y a la facilidad de
automatización, lo que le ha valido para abrirse un lugar en la industria
automovilística. La flexibilidad es la característica más sobresaliente del
método MIG, ya que permite soldar aceros de baja aleación, aceros
inoxidables, aluminio y cobre, en espesores a partir de los 0,5 mm y en todas
las posiciones. La protección por gas garantiza un cordón de soldadura
continuo y uniforme, además de libre de impurezas y escorias. Además, la
soldadura MIG / MAG es un método limpio y compatible con todas las
medidas de protección para el medio ambiente.
Figura II.6. Soldadura metálica con arco eléctrico y gas (GMAW).
Fuente: Trabajo de grado de UMSS, Facultad de Ciencias y Tecnología.
2.1.6.1 Descripción general
La Soldadura metálica con arco eléctrico y gas o Soldadura MIG
(metal inert gas) es también conocida como Gas Arco Metal o MAG. La
soldadura metálica con arco eléctrico y gas (en inglés gas metal arc welding,
GMAW) es un proceso en el cual el electrodo es un alambre metálico
desnudo consumible y la protección se proporciona inundando el arco
eléctrico con un gas. El alambre desnudo se alimenta en forma continua y
automática desde una bobina a través de la pistola de soldadura, como se
ilustra en la figura II.7 y la figura II.8 se muestra una pistola de soldadura. En
la GMAW se usan diámetros de alambre que van desde 0,8 a 6,4 mm, el
26 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
tamaño depende del grosor de las partes que se van a unir y la velocidad de
deposición deseada.
Para protección se usan gases inertes como el argón y el helio y
también gases activos como el dióxido de carbono. La elección de los gases
(y sus mezclas) dependen del material que se va a soldar, al igual que de
otros factores. Se usan gases inertes para soldar aleaciones de aluminio y
aceros inoxidables, en tanto que normalmente se usa C02 para soldar aceros
al bajo y mediano carbono. La combinación del alambre de electrodo
desnudo y los gases protectores eliminan el recubrimiento de escoria en la
gota de soldadura y, por tanto, evitan la necesidad del esmerilado y limpieza
manual de la escoria. Por tal razón, el proceso de GMAW y gas es ideal para
hacer múltiples pasadas de soldadura en la misma unión.
Figura II.7 Pistola para soldadura metálica con arco eléctrico y gas.
Fuente: Trabajo de grado de UMSS, Facultad de ciencias y Tecnología.
Figura II.8 Operación realizada mediante el proceso MIG.
Fuente: Trabajo de grado de UMSS, Facultad de ciencias y Tecnología.
Capítulo II. Marco Teórico 27
Los diferentes metales en los que se usa la soldadura GMAW y las
propias variaciones del proceso han dado origen a diferentes nombres. La
primera vez que se introdujo el proceso a fines de los años cuarenta del siglo
XX, se aplicó a la soldadura de aluminio usando un gas inerte (argón) para
protección del arco eléctrico. Este proceso recibió el nombre de soldadura
metálica con gas inerte (en inglés MIG welding, metal inert gas welding).
Cuando este proceso de soldadura se aplicó al acero, se encontró que los
gases inertes eran costosos y se usó C02 como sustituto. Por tanto, se aplicó
el término de soldadura con C02. Algunos refinamientos en el proceso para la
soldadura del acero condujeron, al uso de mezclas de gases, incluyendo
dióxido de carbono y argón, e incluso oxígeno y argón.
El proceso MIG opera en DC (corriente continua) usualmente con el
alambre como electrodo positivo. Esto es conocido como "Polaridad
Negativa" (reverse polarity). La "Polaridad Positiva" (straight polarity) es
raramente usada por su poca transferencia de metal de aporte desde el
alambre hacia la pieza de trabajo. Las corrientes de soldadura varían desde
unos 50 Amperios hasta 600 Amperios en muchos casos en voltajes de 15V
hasta 32V, un arco auto-estabilizado es obtenido con el uso de un sistema de
fuente de poder de potencial constante (voltaje constante) y una alimentación
constante del alambre.
Continuos desarrollos al proceso de soldadura MIG lo han convertido
en un proceso aplicable a todos los metales comercialmente importantes
como el acero, aluminio, acero inoxidable, cobre y algunos otros. Materiales
por encima de 0,76 mm de espesor pueden ser soldados en cualquier
posición, incluyendo de piso, vertical y sobre cabeza. Es muy simple escoger
el equipo, el alambre o electrodo, el gas de la aplicación y las condiciones
óptimas para producir soldaduras de alta calidad a muy bajo costo.
28 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
El proceso básico MIG incluye tres técnicas muy distintas:
Transferencia por "Corto circuito", transferencia "Globular" y la transferencia
de "Arco Rociado" (Spray Arc). Estas técnicas describen la manera en la cual
el metal es transferido desde el alambre hasta la soldadura fundida.
Figura Il.9. Técnicas de transferencia del metal hasta la soldadura fundida en la soldadura
MIG.
En la transferencia por corto circuito, también conocido como "Arco
Corto", "Transferencia espesa" y "Micro Wire", la transferencia del metal
ocurre cuando un corto circuito eléctrico es establecido, esto ocurre cuando
el metal en la punta del alambre hace contacto con la soldadura fundida.
En la transferencia por rociado (spray arc), diminutas gotas de metal
fundido llamadas "Moltens" son arrancadas de la punta del alambre y
proyectadas por la fuerza electromagnética hacia la soldadura fundida.
En la transferencia globular el proceso ocurre cuando las gotas del
metal fundido son lo suficientemente grandes para caer por la influencia de la
fuerza de gravedad. Los factores que determinan la manera en que los
moltens son transferidos son la corriente de soldadura, el diámetro del
alambre, la distancia del arco (voltaje), las características de la fuente de
poder y el gas utilizado en el proceso.
Capítulo II. Marco Teórico 29
La soldadura MIG es un proceso versátil, con el cual se puede
depositar soldadura a un rango muy alto y en cualquier posición. El proceso
es ampliamente usado en láminas de acero de bajo y mediano calibre de
fabricación y sobre estructuras de aleación de aluminio particularmente
donde existe un alto requerimiento de trabajo manual o trabajo de soldador.
Desde su aparición en el mundo de la soldadura, todas las agencias de
regulación y clasificación de los metales de aporte tomaron muy en serio este
proceso y la creación de su propio código de clasificación fue indispensable,
en el caso de la Sociedad Americana de Soldadura AWS, se crearon dos
códigos por separado, uno para las aleaciones de bajo contenido de carbono
o también conocido como acero dulce y uno para las aleaciones de alto
contenido de carbono o donde la composición química final del material
aportado fuera cambiada de forma dramática.
2.1.6.2 Clasificación AWS para los metales de aporte electrodos de baja
aleación de acero para soldadura de arco protegida por gas
ERl - XXX2 S3 - XXX4
1.- Las primeras dos letras identifican como alambre o varilla desnuda
2.- Los tres primeros números indican la resistencia a la tracción en miles de
libra/in2 La letra intermedia indica que el tipo de alambre es sólido.
3.- Los últimos tres dígitos indican la Composición química del alambre lo
que determina la ejecución correcta de este proceso es:
La fluidez de la soldadura fundida.
La forma del cordón de la soldadura y sus bordes.
La chispa o salpicaduras que genera (Spatter).
30 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
2.1.6.3 Clasificación AWS para los metales de aporte electrodos de acero al
carbono para soldadura de arco protegida por gas
ER1- XX2 S3 -X4
1.- Las primeras dos letras identifican como alambre o varilla desnudas
2.- Los tres primeros números indican la resistencia a la tracción en miles de
libra/in2
3.- La letra intermedia indica que el tipo de alambre es sólido.
4.- Composición química del alambre
Un buen procedimiento de soldada está caracterizado por la poca
presencia de porosidad, buena fusión, y una terminación libre de grietas o
quebraduras. La porosidad, es una de las causas más frecuentemente
citadas de una soldadura pobremente ejecutada, es causada por el exceso
de oxígeno de la atmósfera, creada por el gas usado en el proceso y
cualquier contaminación en el metal base, que, combinado con el carbono en
el metal soldado forma diminutas burbujas de monóxido de carbono (CO).
Algunas de estas burbujas de CO pueden quedar atrapadas en la soldadura
fundida después que se enfría y se convierten en poros mejor conocidos
como porosidad.
2.1.6.4 Control de la porosidad
Una suficiente desoxidación del cordón de soldadura es necesaria
para minimizar la formación de monóxido de carbono CO y, por consiguiente,
la porosidad. Para lograr esto, algunos fabricantes han desarrollado
alambres que contienen elementos con los cuales el oxígeno se combina
preferentemente al carbono para formar escorias inofensivas. Estos
Capítulo II. Marco Teórico 31
elementos, llamados desoxidantes, son manganeso (Mn), silicón, titanio (Ti),
aluminio (Al), y zirconio (Zr).
Aluminio, titanio y zirconio son los desoxidantes más poderosos,
quizás cinco veces más efectivos que el manganeso y el silicón, no obstante
estos últimos dos elementos afectan de manera especial el proceso y por
eso no son ampliamente utilizados, las cantidades de manganeso podrían
variar desde 1,10% hasta 1,58% y en el caso del silicón desde un 0,52%
hasta 0,87%.
2.1.6.5 Influencia del gas y el arco de la soldadura
El uso de Anhídrido Carbónico (C02) causa más turbulencias en la
transferencia del metal del alambre al metal base con la tendencia a crear
cordones de soldadura más abultados y un alto incremento de las
salpicaduras.
Las mezclas de gases con bases de Argón (Ar) proveen transferencias
de metales más estables y uniformes, buena forma del cordón de soldadura
y las salpicaduras son reducidas al mínimo, además de un rango más bajo
en la generación de humo.
2.1.6.6 Equipo para la soldadura MIG generador de soldadura
Los generadores más adecuados para la soldadura por el
procedimiento MIG son los rectificadores y los convertidores (aparatos de
corriente continua). La corriente continua con polaridad inversa mejora la
fusión del hilo, aumenta el poder de penetración, presenta una excelente
acción de limpieza y es la que permite obtener mejores resultados.
32 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
En la soldadura MIG, el calor se genera por la circulación de corriente
a través del arco, que se establece entre el extremo del hilo electrodo y la
pieza. La tensión del arco varía con la longitud del mismo. Para conseguir
una soldadura uniforme tanto la tensión como la longitud del arco deben
mantenerse constantes. En principio, esto podemos lograrIo de dos formas;
(1) Alimentando el hilo a la misma velocidad con que éste se va fundiendo; o
(2), fundiendo el hilo a la misma velocidad con que se produce la
alimentación. A continuación se presenta el diagrama esquemático del
equipo MIG.
Figura II.10. Equipo para soldadura GMAW (MIG). Fuente: Trabajo de grado de UMSS, Facultad de ciencias y Tecnología.
Capítulo II. Marco Teórico 33
1.Una máquina soldadora.
2. Un alimentador que controla el avance del alambre a la velocidad
requerida.
3. Una pistola de soldar para dirigir directamente el alambre al área de
soldadura.
4. Un gas protector para evitar la contaminación del baño de fusión.
5. Un carrete de alambre del tipo y diámetro especificado.
2.1.6.6.1 Beneficios del sistema MIG.
1. No genera escoria.
2. Alta velocidad de deposición.
3. Alta eficiencia de deposición.
4. Fácil de usar.
5. Mínima salpicadura.
6. Aplicable a altos rangos de espesores.
7. Baja generación de humos.
8. Es económica.
9. La pistola y los cables de soldadura son ligeros haciendo más fácil su
manipulación.
10. Es uno de los más versátiles entre todos los sistemas de soldadura.
2.1.6.7 Técnica de soldadura MIG por corto circuito
La soldadura MIG por la técnica de corto circuito se obtiene usando un
alambre de bajo calibre de 0,76 mm (0,030 pulg.) hasta 1,1 mm (0,045 pulg.)
de diámetro y la operación se efectúa con un arco más corto (bajo voltaje) y
34 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
corriente mas baja. El producto final es un cordón de soldadura más reducido
que se enfría más rápido.
Esta técnica de soldadura es particularmente útil para juntar materiales más
delgados en cualquier posición, así como materiales más gruesos en
posición vertical y sobre cabeza, también para rellenar grandes cavidades.
La técnica de soldadura por corto circuito debería ser usada donde sea
requerido evitar la distorsión de la pieza a ser soldada.
El metal es transferido desde el alambre a la soldadura fundida sólo
cuando se establece el contacto entre éstos, o cada vez que ocurra un corto
circuito. El alambre hace cortocircuito con la pieza de 20 a 200 veces por
segundo.
Al momento que el alambre toca la soldadura fundida, la corriente
comienza a incrementarse hasta alcanzar el punto de corto circuito, entonces
el metal es transferido, se enciende el arco pero como el alambre es
alimentado más rápido de lo que en realidad se puede fundir, eventualmente
el arco es apagado (extinguido) por otro corto circuito.
Tabla N° II.1: Rangos de corriente óptimos para el cortocircuito con diferentes diámetros de alambres
Diámetro del electrodo Corriente en Amperios
mm pulgadas Mínimo Máximo
0,076 0,030 50 150
0,090 0,035 75 175
1,1 0,045 100 225
Fuente: Trabajo de investigación "Técnica de cortocircuito en la soldadura MIG"
Para asegurar la buena estabilidad del arco, cuando se usa esta
técnica, debe ser empleada una corriente de soldadura relativamente baja, la
Capítulo II. Marco Teórico 35
tabla II.1 ilustra los rangos de corriente óptimos para el corto circuito con
diferentes diámetros de alambres, estos rangos pueden ser una referencia
dependiendo del gas seleccionado.
2.1.6.8 Técnica de rociado de la soldadura MIG
Elevando los niveles de corriente y voltaje más allá de los límites de la
soldadura por corto circuito y la globular, la transferencia del metal se
convierte en un arco eléctrico que produce un rocío de metal (Spray Arc). La
corriente mínima con la cual esto ocurre es llamada "corriente de transición",
en la tabla II.2 presentamos algunos parámetros de corriente mínima de
transición empleados para este método de transferencia.
Tabla Il.2. Rangos de corriente óptimos para el generar el método de rociado en la soldadura MIG, con diferentes diámetros de alambres.
Tipo de electrodo Diámetro del Alambre Gas Protector Corriente Mínima de transición en
(Alambre) Mm Pulg. (Amp)
Bajo Carbón 0,89 0,035 98%Argón-2%oxy 165
Bajo Carbón 1,1 0,045 98%Argón-2%oxy 220
Bajo Carbón 1,3 0,052 98%Argón-2%oxy 240
Fuente: Trabajo de investigación "Técnica de Rociado en la soldadura MIG"
36 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Figura II.11: Técnica de Rociado: (Muestra la fina columna del alambre, la punta afinada por el rociado y las gotas de metal del alambre (Moltens) son reducidas en diámetro dejando la posibilidad de un arco estable, sólo en raros casos esta técnica produce corto circuito y las
salpicaduras son muy poco asociadas con esta técnica de soldadura).
La soldadura por rociado puede producir altos rangos de deposición
de soldadura, esta técnica de soldadura es generalmente usada para juntar
materiales de 2,4 mm (3/32 pulg. de espesor) en adelante, excepto en las
aplicaciones sobre aluminio o cobre, la soldadura por rociado esta
generalmente restringida para la posición de piso por el monto de la
soldadura fundida liquida que maneja, sin embargo, acero de bajo carbono
puede ser soldado en otras posiciones con esta técnica cuando los cordones
de soldadura son más delgados; generalmente con alambres de 0,089 mm.
(0,035 pulg.) o 1.1 mm (0,045 pulg.) de diámetro.
Existe una variación de la técnica de rociado conocida como
"Soldadura de Arco Rociado Pulsada" también conocida como soldadura
pulsada. En la soldadura pulsada, la corriente es variada entre los valores
bajos y altos, la baja corriente está por debajo de la corriente de transición,
mientras que el valor alto se mantiene bien dentro de la región de arco
Capítulo II. Marco Teórico 37
rociado. El metal de aporte es sólo transferido al metal base durante el
periodo de alta corriente.
Usualmente una cantidad de metal rociado llamado "Doplef" es
transferida durante cada periodo de corriente alta. Dado que el periodo de
corriente está dentro de la región de arco rociado, la estabilidad del arco con
esta técnica es muy similar a la de la soldadura por rociado convencional. El
periodo de baja corriente mantiene el arco y sirve para reducir la corriente
promedio, por consiguiente, la técnica de rociado pulsado produciría un arco
rociado a un promedio de corriente más baja de la requerida para el rociado
convencional. El promedio bajo hace posible lograr soldaduras en materiales
más delgados, con técnica de rociado, usando alambres más gruesos, que
en cualquier otro caso sería imposible. La soldadura de arco pulsado puede
también ser usada en materiales pesados y en posiciones especiales
2.1.6.9 Técnica de deposición globular de la soldadura MIG
En tanto que la corriente y el voltaje de soldadura son incrementados
por encima del máximo recomendado para la soldadura de arco por la
técnica de corto circuito, el metal transferido comienza a tener una apariencia
diferente, esta técnica es comúnmente conocida como transferencia globular.
Usualmente las gotas de metal o moltens superan en diámetro al alambre
mismo haciéndolas tan pesadas que se desprenden cayendo ayudadas por
el efecto de la gravedad.
Esta técnica es muy poco usada por su dependencia de la posición de
piso, ya que depende de la gravedad para completar el efecto de la técnica,
este modo de soldar podría ser errático en ciertas aplicaciones y presenta
muchas veces salpicaduras y los cortos circuitos del alambre son muy
38 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
comunes, restando tiempo al proceso, no obstante algunos han logrado
estabilizar el proceso convirtiéndolo en una técnica alternativa en
aplicaciones especiales.
La soldadura MIG es uno de los tipos de soldadura más utilizado en la
actualidad debido a las ventajas y beneficios que este proceso presenta. En
este tipo de soldadura existen diversos medios de transferencia del material
de aporte entre los cuales se tienen el de transferencia por cortocircuito,
transferencia globular y transferencia de arco rociado (Spray), se desea
determinar cuál de estos medios nos ofrece las propiedades mecánicas y
microestructurales más adecuadas sobre el cordón de soldadura realizado
en el acero inoxidable austenítico, para distintas aplicaciones donde se utiliza
cada uno de los modos de transferencia del aporte de material.
CCAAPPÍÍTTUULLOO IIIIII
MMaarrccoo MMeettooddoollóóggiiccoo
3.1 Nivel de la investigación
La estrategia utilizada para solucionar el problema planteado estuvo
dentro de la investigación descriptiva y experimental. Descriptiva la cual
consiste en la caracterización de un hecho, fenómeno, individuo o grupo, con
el fin de establecer su estructura o comportamiento, no se limita a la
recolección de datos, sino a la predicción e identificación de las relaciones
que existen entre dos o más variables, debido a que se pretende estudiar la
influencia del modo de transferencia de material de aporte sobre las
propiedades mecánicas y microestructurales de la junta soldada; y
Experimental debido a que para evaluar las propiedades de las juntas
soldadas del acero inoxidable austenítico AISI - 304 se realizaron ensayos
experimentales a las mismas, variando el modo de transferencia del material
de aporte; los cuales son:
Transferencia por Cortocircuito.
Transferencia Globular.
Transferencia por Arco Rociado.
40 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Las juntas provenientes del metal base AISI – 304 fueron soldadas a
tope, a las mismas se les realizó un bisel a 60º, para un espesor de lamina
de 6mm. Se utilizó como material de aporte un alambre AWS - ER308. El gas
de protección que se utilizó fue el mismo para realizar todos los cordones, y
se restringió a 100% Argón, ya que el estudio se enfocó en los efectos de la
variación del modo de transferencia del material de aporte sobre las juntas
soldadas.
Los parámetros de soldadura establecidos se obtuvieron al realizar
varias pruebas con la máquina de soldar ya que la misma por defecto, ajusta
los valores, de acuerdo a su mejor rendimiento.
De este modo, Los parámetros de soldadura establecidos son:
Voltaje
Intensidad de Corriente
Longitud de arco
Caudal de gases
Velocidad de soldeo
Velocidad de alimentación del alambre
Tipo de transferencia
3.2 Diseño de la investigación
Para alcanzar los objetivos planteados en este trabajo se siguieron
tantos los lineamientos de una investigación documental, como los de una
investigación experimental, es decir se recurrió a la revisión bibliográfica y a
la realización de ensayos normalizados.
Capítulo III. Marco Metodológico 41
Para lograr los objetivos enmarcados en esta investigación es
necesario establecer un plan de trabajo en el cual se puede observar los
pasos a realizar como se indican a continuación:
Figura III.1 Flujograma experimental
Caracterización de los materiales a utilizar
Caracterización del material base
Lamina de acero inoxidable AISI - 304
Caracterización del material de aporte
Alambre de acero inoxidable AWS – ER308
Diseño y preparación de juntas
Proceso de soldadura GMAW
Parámetros de soldadura
Voltaje
Intensidad de Corriente
Longitud de arco
Gas protector
Caudal de gases
Velocidad de soldeo
Velocidad de alimentación del alambre
Modo de transferencia del aporte
A. Transferencia por cortocircuito.
B. Transferencia Globular.
C. Transferencia por Arco
Rociado
Preparación de Probetas
A. Cortocircuito; 5 tracción, 1 dureza, macro y microscopía, 3 doblado.
B. Globular; 5 tracción, 1 dureza, macro y microscopía, 3 doblado.
C. Arco rociado; 5 tracción, 1 dureza, macro y microscopía, 3 doblado.
D. Ensayo de tracción Ensayo de microscopía Ensayo de Doblado
Ensayo de dureza
Conclusiones
Recomendaciones
Análisis de resultados
42 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
3.3 Población y muestra
En el presente trabajo la población se encuentra representada por el
acero inoxidable austenítico AISI 304. Las muestras estuvieron constituidas
por 27 probetas en total; de las cuales 15 para el ensayo de tracción, 9
probetas para ensayo de doblado y 3 probetas para el estudio metalográfico
y para ensayo de microdureza. Por lo que se tiene que para cada modo de
transferencia del aporte se tuvo un total de 9 probetas distribuidas de la
siguiente manera, 5 para el ensayo de tracción, 3 para el ensayo de doblado
y 1 para el estudio metalográfico y microdureza.
3.4 Materiales y equipos a utilizar
1. Lámina de acero inoxidable AISI 304 de dimensiones 1400 mm x 340
mm x 6 mm.
2. Electrodos AWS – ER308 de 0,9 mm de diámetro
3. Máquina de soldar Lincoln Electric modelo Powertec 300C por arco
metálico con protección gaseosa GMAW.
4. Equipo Galdabini para el ensayo de tracción y doblado.
5. Microdurómetro Vickers.
6. Equipo para ataque electrolítico marca ElecroMet.
7. Microscopios ópticos
8. Pulidora metalográfica.
9. Esmeril angular.
Capítulo III. Marco Metodológico 43
10. Guillotina.
11. Mandril macho y hembra para el ensayo de doblado.
12. Cámara digital.
3.5 Herramientas a utilizar
1. Vernier, tiza para metal, lentes protectores, bata de laboratorio,
guantes, entre otros.
2. Papeles de lija de finura de grano creciente: 120, 240, 280, 320, 400,
600, 1200.
3. Alúmina en polvo fina y gruesa.
4. Acido Oxálico al 10%.
5. Etanol.
6. Secador.
3.6 Procedimiento experimental
33..66..11 CCaarraacctteerriizzaacciióónn ddee llooss mmaatteerriiaalleess
El Procedimiento experimental que se llevó a cabo en esta
investigación se inició con la caracterización de los materiales a utilizar, entre
los cuales se tiene como material base una lámina de acero inoxidable
austenítico AISI - 304 de 6mm de espesor el cual se utiliza en una gran
diversidad de aplicaciones en la actualidad, este material es recomendado
para ser usado para construcciones ligeras soldadas en las que el recocido
44 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
no es práctico o posible, pero que requieren buena resistencia a la corrosión
por ejemplo: equipos químicos de proceso, equipos de proceso y manejo de
alimentos, intercambiadores de calor, equipo para hospitales, entre otras
aplicaciones, además posee un muy buen desempeño en altas temperatura
(800 a 900 ºC).
Tabla III.1 Composición Química del acero inoxidable AISI 304
Composición química
%C
0,041
%Cr
18,03
%Mn
1,16
%P
0,029
%S 0,004
%Mo 0,068
%Ti
0,0038
%Si
0,47
%Ni
8,14
%Co
0,111
%Cu
0,062
Fuente: Certificado de calidad del acero inoxidable AISI 304, proporcionado por el
distribuidor.
Luego se comparó la composición química suministrada por el
distribuidor con la composición teórica que debería poseer un acero
inoxidable austenítico AISI-304 (extraído de Di Caprio, 1999) para comprobar
que los valores suministrados por el proveedor estén dentro del rango de
valores teóricos y así garantizar que el material posee una composición con
valores dentro del rango para un acero austenítico.
Se procedió a realizarle un ensayo de tracción al material base para
comprobar que las propiedades mecánicas suministradas por el proveedor
concuerdan con las obtenidas en el ensayo.
Tabla III.2 Propiedades mecánicas del acero inoxidable AISI 304
Material max (MPa) F (MPa) % Elongación
Acero inoxidable AISI 304 703 389 53
Fuente: Certificado de calidad del acero inoxidable AISI 304, proporcionado por el
distribuidor.
Capítulo III. Marco Metodológico 45
Como material de aporte un alambre AWS – ER308, este material
posee como principal aplicación la soldadura de aceros inoxidables,
mediante procesos de GMAW (MIG), GTAW (TIG), este electrodo es el que
utiliza específicamente para el tipo acero inoxidable de la soldadura de 304H.
Tabla III.3 Composición química del metal depositado AWS – ER308
Composición química
Clasificación
AWS
%C %Mn %P %S %Si %Cr %Cu %Ni %Mo
ER 308 0,03 1-2,5 0,03 0,03 0,3 –
0,65
19,5 -
22
0,75 9 -
11
0,75
Fuente: Catálogos de electrodos Lincoln Electric, proporcionado por el distribuidor.
33..66..22 PPrreeppaarraacciióónn ddee llaass pprroobbeettaass
Corte de lámina
De la lámina de acero inoxidable AISI – 304 de 600mm x 340mm x
6mm se procedió a extraer seis trozos de 340mm x 100mm x 6mm
conformando así tres parejas con las medidas de la sección anteriormente
descrita. Para este procedimiento se utilizó una guillotina.
Soldadura de las parejas
La soldadura se le realizó a las tres parejas de trozos de láminas de
sección 340mm x 100mm x 6mm obteniendo así tres piezas de 340mm x
200mm x 6mm, utilizando un proceso de soldadura GMAW, la soldadura se
hizo con un bisel a 60º, a tope como se muestra en la figura III.2:
46 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Figura III.2 Diseño de la junta.
El proceso de soldadura se llevó a cabo variando algunos parámetros
como intensidad y voltaje para lograr los distintos modos de transferencia del
aporte (cortocircuito, arco rociado, globular), en la tabla III.4 se presentan los
parámetros de soldadura para cada modo de transferencia. Estos
parámetros fueron obtenidos después de una serie de pruebas, partiendo de
un rango de valores suministrados por un catálogo de la empresa Lincoln,
seleccionando aquellos donde el cordón de soldadura presentaba mejor
acabado superficial y deposición del material de aporte.
Tabla III.4 Parámetros de soldadura para los distintos modos de transferencia
Modo de Transferencia Voltaje (V) Intensidad de corriente (A) Velocidad (pulg/min)
Arco Rociado 24 197 450
Corto Circuito 21 135 230
Globular 29 245 380
Capítulo III. Marco Metodológico 47
Corte de piezas para elaborar las probetas
Después de soldadas las tres piezas se hizo un plano sobre las
mismas de las distintas porciones de láminas a extraer para luego proceder
al mecanizado de las distintas probetas. Este plano se realizo según la
norma ASME sección 9 QW – 463.1 (a) para láminas de menos de 3/4” de
espesor.
En la Figura III.3 se muestra el plano que se utilizó para representar
cada porción de lámina para la elaboración de las probetas con sus
dimensiones en milímetros.
Figura III.3 Plano para representar cada porción de lámina para la elaboración de las
probetas. Fuente: Norma ASME sección 9 QW - 463.1 (a).
48 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
MMeeccaanniizzaaddoo ddee pprroobbeettaass
Después de cortar las distintas porciones de la lámina, se
mecanizaron con la finalidad de obtener un total de 15 probetas para
ensayos de tracción, 9 probetas para ensayo de doblado y 3 probetas con el
objeto de realizar estudios metalográfico y de microdureza, según las normas
respectivas de realización de cada ensayo.
3.7 Ensayos experimentales en las probetas soldadas
33..77..11 EEnnssaayyoo ddee ttrraacccciióónn
El ensayo destructivo más importante es el ensayo de tracción, en
donde se coloca una probeta en una máquina de ensayo consistente de dos
mordazas, una fija y otra móvil. Se procede a medir la carga mientras se
aplica el desplazamiento de la mordaza móvil. Un esquema de la máquina de
ensayo de tracción se muestra en la Figura III.4
La máquina de ensayo impone la deformación desplazando el cabezal
móvil a una velocidad seleccionable. La máquina entrega una señal que
representa la carga aplicada y el desplazamiento que luego son graficadas
en la pantalla conectada al CPU y que luego se pueden imprimir.
A través del ensayo de tracción se obtuvieron:
Porcentaje de alargamiento.
Esfuerzo de fluencia.
Esfuerzo máximo.
Esfuerzo de ruptura.
Capítulo III. Marco Metodológico 49
Figura III.4 Máquina de Ensayo de Tracción
Se elaboraron 5 probetas por cada modo de transferencia de material
de aporte (establecido en la norma ASTM 4 como número mínimo de
probetas para este ensayo), es decir, 15 probetas en total. A continuación
(figura III.5), se muestra el modelo de las probetas utilizado según la norma
ASTM E190.
Figura III.5 Probeta de tracción según norma ASTM E190. Medidas en milímetros. Fuente: Norma ASTM E190.
Para realizar el ensayo de tracción las probetas fueron llevadas al
laboratorio de materiales donde se encuentra la máquina Galdabini para
ensayos mecánicos. Los resultados del ensayo están expresados en gráficas
de carga vs. Elongación.
50 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Para construir la curva Esfuerzo vs. Deformación, el esfuerzo se
obtuvo dividiendo la carga por el área inicial de la sección transversal de la
probeta, a través de la ecuación 1:
Ao
PS (Ec. 1)
Donde:
P: Carga aplicada (N)
Ao: Área inicial de la sección transversal de la probeta (mm2)
S: Esfuerzo (N/mm2)
La deformación ( ) usada para la curva Esfuerzo vs. Deformación
ingenieril se obtiene de la elongación ( ) de la probeta entre su longitud
inicial (lo).
lo
lolf
lo
l
lo
(Ec.2)
Donde:
lf: Longitud fina de la probeta (mm)
lo: Longitud inicial de la probeta (mm)
Tanto el esfuerzo como la deformación se obtuvieron dividiendo la
carga y la elongación por factores constantes, por lo tanto, la curva carga vs.
Elongación tendrá la misma forma que la curva esfuerzo vs. Deformación
ingenieril.
Una vez obtenidas las curvas esfuerzo vs deformación ingenieril para
cada probeta se procede a realizar la curva característica esfuerzo
deformación para probetas ensayadas con cada uno de los métodos de
Capítulo III. Marco Metodológico 51
transferencia del aporte, esta curva se realizo haciendo un promedio del
comportamiento de las cinco probetas ensayadas.
33..77..22 EEnnssaayyoo ddee DDoobbllaaddoo
Este ensayo se realizó con el objeto de determinar la ductilidad de la
junta soldada. Para realizar el ensayo se coloca la probeta sobre dos rodillos
cuya distancia es de 50mm, que corresponde al diámetro del rodillo del
punzón mas dos veces el espesor de la lámina, garantizando que el cordón
de soldadura quede en la mitad de dicha distancia y se le aplica la presión
con un tercer rodillo situado encima de la pieza y en medio de los dos rodillos
que sujetan la pieza. Al aplicar la fuerza el material cede y se dobla. Este
ensayo se llevó a cabo haciendo uso de la maquina Galdabini que es la
encargada de imprimir la fuerza sobre la probeta.
En este ensayo se utilizaron 3 probetas por cada modo de
transferencia de material de aporte, es decir, 9 probetas en total. Las
probetas se elaboraron según la norma ASTM E-190.
Figura III.6 Probeta según norma ASTM E190. Medidas en milímetros. Fuente: Norma ASTME190.
52 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
33..77..33 EEnnssaayyoo MMeettaallooggrrááffiiccoo
Para llevar a cabo este ensayo se realizó un estudio macroscópico y
luego un estudio microscópico, el primero se realizó para observar la
geometría del cordón y el segundo con la finalidad de observar los cambios
sufridos en la microscopía debido a la soldadura. Por cada modo de
transferencia del material de aporte se tomó una probeta haciendo así un
total de 3 probetas.
33..77..33..11 EEssttuuddiioo MMaaccrroossccóóppiiccoo
Para la preparación de la probeta se siguieron los siguientes pasos:
1. Se cortaron cada una de las probetas.
2. Se realizó el desbaste del corte con papel de lija con un tamaño de grano
120 para aplanar la superficie de la pieza.
3. Se continúo el proceso de lijado, utilizando para los mismos papeles de
lija de tamaño de grano: 240, 320, 400, 600 y 1200.
4. Luego del proceso de lijado se realizó el ataque químico a la cara en
estudio con ácido oxálico mediante un proceso electrolítico.
5. Se lavó con agua corriente, se le aplicó etanol y secó con aire caliente.
6. La muestra quedó lista para ser observada, donde se pudo distinguir el
metal base y el cordón de soldadura macroscópicamente.
33..77..33..22 EEssttuuddiioo MMiiccrroossccóóppiiccoo
Las probetas fueron sometidas nuevamente a un proceso de desbaste
con papeles de lijas para eliminar la capa atacada, luego las probetas se
pulieron con los paños grueso y fino, utilizando para ello la alúmina gruesa y
fina respectivamente. Al obtener una superficie especular, las probetas
fueron atacadas con acido oxálico al 10% por un tiempo de 50 segundos
Capítulo III. Marco Metodológico 53
para que se revele la microestructura esto haciendo uso del equipo para
ataques electroquímicos, luego se lavó con agua corriente, se le aplicó etanol
y se secó con aire caliente.
Una vez realizado el procedimiento anteriormente descrito se procedió
a analizar las probetas en el microscopio óptico ver figura III.7 en el cual
fueron observadas a 100X, 200X y 400X, se seleccionaron las imágenes en
las cuales quedo revelada microestructura de la soldadura y defectos
diversos; es decir, la metalurgia de la soldadura.
Figura III.7 Equipo para ataques electrolíticos marca Electromet.
33..77..44 EEnnssaayyoo ddee dduurreezzaa
Para el ensayo de dureza se utilizaron las mismas probetas que las
utilizadas para el ensayo de microscopía, primero se realizó el ensayo de
microscopía y después el ensayo de dureza.
Con las probetas ya preparadas, se procede a seleccionar los puntos
para realizar la medición de microdureza Vickers utilizando una carga de 200
gramos (según norma ASTM E384-99), cabe destacar que se utilizará un
microdurómetro debido a que el espesor de la probeta es muy pequeño
54 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
(6mm). Luego se miden las diagonales de la huella dejada por el penetrador
para así obtener la dureza promedio por zonas; de los resultados obtenidos
se elaborarán gráficas de microdureza Vickers promedio vs. Zonas de
medición. Este ensayo se realizó en el laboratorio de Ensayos de Materiales.
Figura III.8 Microdurómetro de huella de base piramidal marca BUEHLER.
Las zonas estudiadas fueron:
Cordón de soldadura. (CS)
Zona afectada por el calor. (ZA)
Material base. (MB)
Una vez realizadas las gráficas de cada uno de los modos de aporte,
se procede a realizar una gráfica donde se reflejen los tres modos de aporte
y se puedan establecer comparaciones entre las mismas. En esta gráfica se
muestran los resultados de dureza para las zonas de Cordón de Soldadura y
Zona Afectada, ya que el metal base utilizado para los ensayos es el mismo.
CCAAPPÍÍTTUULLOO IIVV
AAnnáálliissiiss ddee RReessuullttaaddoo
4.1 Resultado de los estudios de tracción:
Una vez realizados los ensayos de tracción se obtuvieron las curvas
de Esfuerzo vs. Deformación para cada una de las probetas ensayadas, en
donde se determinan las propiedades mecánicas a estudiar, como lo son: el
esfuerzo de fluencia, el esfuerzo máximo y la deformación elástica. Luego se
procede a realiza la curva característica para cada tipo de aporte de material
a estudiar. Una vez extraídos todos los datos de las gráficas, se procede a
tabular los resultados obtenidos (Tabla IV.1).
En las figuras IV.1, IV.2 y IV.3 se muestran las curvas características
esfuerzo vs deformación para las probetas ensayadas con aporte de material
por el método de Corto Circuito, Globular y Arco Rociado respectivamente.
En la Figura IV.4 se muestra la información de la curva de Esfuerzo vs
Deformación del acero inoxidable 304, la cual se tomará como punto de
referencia para realizar los análisis pertinentes la influencia de cada uno de
los tipos de aporte de material.
56 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Figura IV.1 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas soldadas
mediante el aporte de material por Corto Circuito.
Figura IV.2 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas soldadas
mediante el aporte de material de tipo Globular.
Capítulo IV. Análisis de Resultados. 57
Figura IV.3 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas soldadas
mediante el aporte de material por Arco Rociado.
Figura IV.4 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación del material base.
58 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Esfuerzo de Fluencia
0
100
200
300
400
500
600
Modo de Aporte
Esfu
erz
o (
Mp
a)
Corto Circuito Globular Arco Rociado
Figura IV.5 Gráfica Esfuerzo de Fluencia vs Modos de Aporte.
Esfuerzo Máximo
540
560580
600
620
640660
680
700
720740
760
Modo de Aporte
Esfu
erz
o (
Mp
a)
Corto Circuito Globular Arco Rociado
Figura IV.6 Gráfica Esfuerzo Máximo vs Modos de Aporte.
Capítulo IV. Análisis de Resultados. 59
Esfuerzo de Fluencia vs Esfuerzo Máximo
0
100
200
300
400
500
600
700
800
Corto Circuito Globular Arco Rociado
Esfu
erz
o (
Mp
a)
Esfuerzo de Fluencia Esfuerzo Máximo
Figura IV.7 Comparación del comportamiento entre el Esfuerzo de Fluencia y el Esfuerzo
Máximo
Porcentaje de Alargamiento
0
5
10
15
20
25
30
35
Modo de Aporte
Ala
rgam
ien
to (
%)
Corto Circuito Globular Arco Rociado
Figura IV.8 Gráfica de Deformación máxima vs. Modo de aporte
60 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Tabla IV.1 Resultados del ensayo de tracción de probetas soldadas por GMAW según modo de transferencia
Tipo de Aporte Esfuerzo de
Fluencia (MPa) Esfuerzo Máximo
(MPa) Alargamiento
(%)
Corto Circuito 352,076 614,376 20,76
Globular 492,578 688,584 21,03
Arco Rociado 410,432 732,998 28,86
4.2 Análisis del ensayo de tracción
En la figura IV.5 se comparan los resultados obtenidos para el
esfuerzo de fluencia de las distintas formas de aporte de material, donde se
puede observar que el aporte de tipo globular posee los mayores niveles de
esfuerzo de fluencia, tomando un valor promedio de 492,578 MPa,
sobrepasando los valores obtenidos mediante los aportes por Corto Circuito
y por Arco rociado en: 40,50% y 20,01% respectivamente. Esto se puede
deber a que los valores de los parámetros de soldadura del modo de
transferencia del aporte de tipo globular (Voltaje e Intensidad de corriente)
son más elevados que en los otros métodos de transferencia, generando
mayor calor al momento de realizar la soldadura. Se observa que los valores
de esfuerzo de fluencia mas bajos se obtienen para las juntas soldadas
mediante el aporte por corto circuito, tomando un valor de 352,076 MPa.
Para el esfuerzo máximo se puede observar en la gráfica IV.6 que los
valores máximos se encuentran en las probetas soldadas mediante el aporte
por Arco Rociado, alcanzando un valor de 732,998 MPa, sobrepasando los
valores obtenidos mediante los aportes por Corto Circuito y Globular en:
19,31% y 6,45 % respectivamente. Se observa también que los valores mas
Capítulo IV. Análisis de Resultados. 61
bajos de esfuerzo se localizan en las probetas soldadas por corto circuito, la
cual tiene un valor de 614,376MPa.
Observando la gráfica IV.7 donde se comparan los resultados de
esfuerzo máximo y de esfuerzo de fluencia de cada uno de los tipos de
aporte de material. Se puede decir que en el aporte de tipo globular el valor
de esfuerzo máximo se encuentra más cerca del valor de esfuerzo de
fluencia del material. Lo que indica que el material adquiere gran valor de
resistencia elástica. El valor de esfuerzo máximo es mayor que el de
esfuerzo de fluencia en un 39,8% en el aporte de tipo globular. Mientras que
para el aporte por corto circuito lo supera en 74,5% y para el aporte por arco
rociado lo supera en 78,59%.
Para realizar el análisis del porcentaje de alargamiento de las juntas
soldadas, se construyó la gráfica IV.8 donde se comparan los valores
obtenidos para los tres tipos de aporte de material. Se observa que los
valores de porcentaje de alargamiento de las probetas soldadas mediante el
aporte globular y corto circuito son similares teniendo una diferencia sólo de
1,30% mientras que las juntas soldadas mediante el aporte por arco rociado
alcanzan un valor superior a los otros tipos de aporte siendo éste 28,86% y
siendo mayor que las juntas soldadas por aporte de tipo globular en 37,23%.
Esto se debe a que las juntas soldadas mediante la transferencia del aporte
de tipo globular poseen mayor ductilidad que las juntas soldadas por los
otros modos de aporte.
4.3 Resultados del ensayo de doblado.
Se presentan las figuras IV.9, IV.10 y IV.11 donde se muestran las
características de esfuerzo vs. Deformación para las probetas ensayadas con
62 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
aporte de material por el método de Corto Circuito, Globular y Arco Rociado
respectivamente.
Figura IV.9 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas de doblado soldadas mediante el aporte de material por Corto Circuito.
Figura IV.10 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas de doblado soldadas mediante el aporte de material de tipo globular.
Capítulo IV. Análisis de Resultados. 63
Figura IV.11 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas de doblado soldadas mediante el aporte de material por Arco Rociado.
A continuación se presentan las tablas IV.2; IV.3 y IV.4 donde se
muestran imágenes de las probetas a las cuales se le realizaron los ensayos
de doblado, en donde se analizó y buscó grietas y/o porosidades en el
cordón de soldadura para su posterior análisis.
Tabla IV.2 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas con aporte de tipo
Corto circuito
Observaciones de probetas soldadas con aporte por Corto Circuito
Imágenes de las probetas
Ensayadas
P1 Cordón de soldadura Centrado, sin agrietamiento visible.
64 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
P2 Cordón de soldadura Centrado, sin agrietamiento visible.
P3 cordón de soldadura centrado, sin agrietamiento visible.
Tabla IV.3 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas con aporte de tipo
Globular.
Observaciones de probetas soldadas con aporte de tipo Globular
Imágenes de las probetas
Ensayadas
P1 Cordón de soldadura Centrado, sin agrietamiento visible.
P2 Cordón de soldadura centrado, sin agrietamiento visible
P3 Cordón de soldadura Centrado, sin agrietamiento visible.
Capítulo IV. Análisis de Resultados. 65
Tabla IV.4 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas con aporte de tipo Arco rociado
Observaciones de probetas soldadas con aporte por Arco Rociado
Imágenes de las probetas
ensayadas
P1 cordón de soladura centrado, con leve agrietamiento del cordón.
P2 Cordón de soldadura Centrado, con fractura del cordón de soldadura y en la zona
afectada por el cordón. Punzón desviado
P3 Cordón de soldadura centrado, sin agrietamiento visible.
4.4 Análisis del ensayo de doblado
Como se puede observar en la tabla IV.2 para las probetas soldadas
mediante el aporte de material por corto circuito se aprecia un buen
resultado, ya que no existen agrietamientos en el cordón y se observa una
buena ductilidad de las juntas soldadas, obteniendo un valor de esfuerzo
máximo de 56,54 MPa.
Las juntas soldadas mediante el aporte de tipo globular presentaron, al
igual que las anteriores, buenos resultados (Tabla IV.3), no se observan
66 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
grietas en las probetas ensayadas y presentan buena ductilidad. Alcanzando
un valor de esfuerzo máximo de 75,18MPa, sobrepasando al esfuerzo
máximo para las probetas soldadas por el procedimiento de aporte por corto
circuito en un 32,96%.
Para las probetas ensayadas mediante el aporte por arco rociado se
observa un ligero agrietamiento en una de las probetas y agrietamiento entre
la zona de soldadura y la zona afectada por la soldadura (véase Tabla IV.4),
que posiblemente fue efecto del desvío del punzón con el que se realizó el
ensayo; la última probeta no presenta agrietamiento. Se puede decir que las
muestras poseen buena ductilidad a pesar del socavamiento presente en una
de las probetas. Para los ensayos realizados a las probetas con aporte por
arco rociado se alcanzó un esfuerzo máximo de 65,02MPa; siendo este un
14,99% superior al de las juntas soldadas por corto circuito y 15, 62% menor
que el de las juntas soldadas con aporte de tipo globular.
Según los resultados obtenidos se observa que los valores de
esfuerzo máximo se alcanzan para las probetas soldadas con aporte de tipo
globular, siguiendo en orden las soldadas por arco rociado, aunque pueden
presentar socavamiento en la zona entre la soldadura y la zona afectada por
el cordón; y las probetas soldadas mediante el aporte por corto circuito
presentan buena ductilidad y menor esfuerzo máximo. Debido a los
resultados obtenidos, se puede inferir que a medida que se aumentan los
valores de los parámetros con los que se realizan los distintos modos de
transferencia del aporte (Voltaje e Intensidad de corriente) aumenta el valor
de resistencia a la compresión de la junta soldada.
Capítulo IV. Análisis de Resultados. 67
4.5 Estudio de macroscópica
Para el ensayo de macroscópica se pueden observar las probetas, las
cuales fueron sometidas a distintos ataques químicos y así poder observar
las penetraciones de los cordones de soldadura en las probetas a los
amperajes según cada tipo de aporte.
Figura IV.12 Macroscopía de la probeta soldada con aporte por Corto Circuito.
OObbsseerrvvaacciioonneess::
Esta muestra presenta una excelente penetración del material de
aporte, carece de oxido superficial, el cordón se observa uniforme y ancho;
presenta una grieta en el centro de la soldadura.
Figura IV.13 Macroscopía de la probeta soldada con aporte de tipo Globular.
OObbsseerrvvaacciioonneess::
Existe buena penetración del material de aporte, el cordón no es
uniforme y no presenta grietas a lo largo del mismo, carece de óxido
superficial. Cordón de soldadura fuera del centro.
68 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Figura IV.14 Macroscopía de la probeta soldada con aporte por Arco Rociado.
OObbsseerrvvaacciioonneess::
Se evidencia solape, buena penetración del material de aporte,
existen salpicaduras de material de aporte sobre la muestra, cordón delgado.
Esta muestra carece de óxido superficial.
4.6 Análisis del ensayo de Macroscopía.
En la muestra soldada mediante el aporte de material por corto circuito
se evidencia mayor penetración del material de aporte y mayor uniformidad
del cordón de soldadura, quedando éste mejor distribuido sobre el material
base, debido a que los parámetros de soldadura se encuentran entre sí con
una mayor armonía lo cual permite un mayor control al momento de realizar
el cordón de soldadura.
Se evidencia gran cantidad de salpicaduras de material de aporte en
la junta soldada por arco rociado, característica de este modo de
transferencia. Donde el aporte de material se deposita en forma de spray lo
que ocasiona dicho defecto.
El cordón de soldadura obtenido a través del método de transferencia
globular carece de uniformidad en cuanto al tamaño del cordón y a su
distribución a lo largo de la junta, debido a que los parámetros de soldadura
Capítulo IV. Análisis de Resultados. 69
son más elevados que en los otros dos métodos, lo cual dificulta su
ejecución.
4.7 Estudio de Microscopía.
AAppoorrttee ppoorr CCoorrttoo CCiirrccuuiittoo
Figura IV.15 Microestructura de la probeta soldada con aporte por Corto Circuito
200X
200X
MB
ZA
CS
ZA
MB
400X
200X
200X
70 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
OObbsseerrvvaacciioonneess::
Se observa en el cordón de soldadura estructuras dendríticas con cambios
de sentido, siguiendo un comportamiento irregular a lo largo del cordón, este
comportamiento se puede deber a que la velocidad de enfriamiento fue
rápida y no permitió que los granos de la microestructura se ordenaran de
manera uniforme. En la zona afectada por el calor de la soldadura se
observa la formación de las estructuras dendríticas columnares hasta que
llega a una estructura completamente dendrítica. En el metal base se aprecia
una estructura austenítica.
AAppoorrttee GGlloobbuullaarr
Figura IV.16 Microestructura de la probeta soldada con aporte Globular
200X
100X
400X
MB
ZA
CS
ZA
MB
200X
200X
Capítulo IV. Análisis de Resultados. 71
OObbsseerrvvaacciioonneess
Se observa en el cordón de soldadura una estructura columnar dendrítica
con un patrón uniforme, se deduce que este comportamiento se debe a que
la velocidad de enfriamiento y el uso de Argón como gas de protección
permitieron que los granos de la microestructura se ordenaran de forma
regular. Se puede apreciar claramente la zona afectada por el calor, en la
cual comienza la formación de la estructura columnar dendrítica. En el metal
base se observa la estructura austenítica característica con presencia de
algunas porosidades, ya que al ser un material con bajo contenido de
carbono y carece de aportes del mismo, se deduce que los puntos
observados en la imagen son porosidades.
AAppoorrttee ppoorr AArrccoo RRoocciiaaddoo
Figura IV.17 Microestructura de la probeta soldada con aporte por Arco Rociado
200X
400X
200X
MB
ZA
CS
ZA
MB
200X
200X
72 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
OObbsseerrvvaacciioonneess::
Se puede observar en el cordón de soldadura una estructura dendrítica con
un comportamiento muy similar entre las mismas, alineadas y con un
distanciamiento uniforme. Se aprecia en la zona afectada por el calor la
formación de las estructuras columnares dendríticas con sentido hacia el
cordón de soldadura, y en el metal base se observa la estructura austenítica
característica del material.
4.8 Análisis del ensayo de microscopia
En las figuras (IV.15 – IV.16 – IV.17) donde se muestra la
microestructura de los tres modos de transferencia del aporte se puede
apreciar que la solidificación en el cordón de soldadura en la transferencia de
aporte por cortocircuito ocurre de manera desorganizada, observándose así
una estructura dendrítica con oscilaciones, la cual difiere de las
transferencias del aporte por arco rociado y globular que presentan
estructuras columnares dendríticas organizadas y uniformes.
Se puede apreciar que para el modo de aporte de tipo globular existe
mayor área de la zona de transición entre el material de aporte y el material
base que en los otros modos de aporte, lo cual se puede deber a que el calor
al cual fueron sometidas las probetas soldadas con transferencia del aporte
de tipo globular fue mayor a las soldadas por los otros métodos de
transferencia, esto, favorece a la soldadura ya que existe mayor unión entre
las partes y menos probabilidad de causar una fractura prematura del
cordón.
Capítulo IV. Análisis de Resultados. 73
Las estructuras dendríticas del cordón de soldadura observadas en la
microestructura de la junta soldada mediante el aporte por arco rociado se
encuentran mas unidas entre ellas que en las juntas soldadas por los
métodos de corto circuito y globular. Se destaca que las estructuras
dendríticas de la junta soldada mediante el aporte de tipo globular están más
unidas que las soldadas por corto circuito.
4.9 Ensayo de microdureza Vickers
A continuación se presenta la tabla IV.5 con los resultados de los
ensayos de dureza Vickers (HV) a una carga de 200 gr de presión obtenidos
para las distintas zonas de estudio de las probetas soldadas con los
diferentes modos de aporte de material.
Tabla IV.5 Resultados de los ensayos de Dureza en las zonas de estudio para los distintos modos de aporte de material
Tipo de Aporte Dureza (HV)
Cordón de Soldadura
Dureza (HV)
Zona Afectada
Dureza (HV)
Metal Base
Corto Circuito 358,4 341,63 327,1
Globular 338,125 322,775 312,8
Arco Rociado 334,5 329,68 317,06
Figura IV.18 Zonas de estudio de las probetas para Microdureza.
MB
ZA
CS
ZA
MB
74 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
290
300
310
320
330
340
350
360
Dureza Vickers vs Zona de estudio
Corto Circuito
Cordón Soldadura Zona Afectada Metal Base
Figura IV.19 Gráfica de micro dureza de la probeta soldada mediante el aporte por Corto
Circuito.
300
305
310
315
320
325
330
335
340
Dureza Vickers vs Zona de estudio
Globular
Cordón Soldadura Zona Afectada Metal Base
Figura IV.20 Gráfica de micro dureza de la probeta soldada mediante el aporte de tipo
Globular.
Capítulo IV. Análisis de Resultados. 75
300
305
310
315
320
325
330
335
340
Dureza Vickers vs Zona de estudio
Arco Rociado
Cordón Soldadura Zona Afectada Metal Base
Figura IV.21 Gráfica de micro dureza de la probeta soldada mediante el aporte por Arco
Rociado.
Dureza Vickers vs Modo de aporte de material
290
300
310
320
330
340
350
360
370
Corto Circuito Globular Arco Rociado
Cordón Soldadura Zona Afectada Metal Base
Figura IV.22 Gráfica de Dureza Vickers vs. Modos de aporte de material, estudiando Cordón
de Soldadura y Zona Afectada.
76 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
4.10 Análisis del ensayo de microdureza Vickers
Luego de realizar los gráficos donde se comparan los valores de
dureza Vickers en las zonas de estudio: cordón de soldadura, zona afectada
y metal base. Se puede observar que para todas las pruebas se obtienen los
valores de dureza máxima en la zona del cordón, seguidamente de la zona
afectada. Esto se debe a que al momento de realizar el aporte de material,
este se funde a una temperatura mayor a la de recristalización y luego
disminuye relativamente rápido lo que genera una mayor dureza en el
material, mayor resistencia a los esfuerzos y mayor tenacidad. Así también
se genera mayor fragilidad en el cordón de soldadura ya que mientras se
enfrían los granos se hacen más pequeños y aumentan la dureza de la
microestructura. La zona afectada cambia su estado al estar en contacto con
las altas temperaturas que produce el material de aporte, este cambio de
temperatura hace que los granos de material se reorganicen y crean mayor
dureza en el material.
Para los ensayos realizados se observa que los valores de
microdureza máxima se obtuvieron en las juntas soldadas con aporte por
corto circuito, alcanzando un valor de 358,4 HV siendo éste mayor a los
valores obtenidos para el aporte de tipo globular y por arco rociado, en:
5,99% y 7,14% respectivamente. Así se observa que para las juntas
soldadas con aporte por arco rociado poseen el menor valor de microdureza,
siendo este 334,5 HV. Para esta junta los valores de dureza en la zona
afectada por el cordón se aproximan a los valores de microdureza del cordón
teniendo una diferencia de 4,82 HV equivalente a un 1,46%. Esto puede
deberse a que el área afectada por el calor es pequeña y no hay mucha
influencia del calor sobre el metal base, lo que hace que las propiedades
microestructurales de la zona no cambien significativamente.
CCAAPPÍÍTTUULLOO VV
CCoonncclluussiioonneess yy RReeccoommeennddaacciioonneess
5.1 Conclusiones
El uso de Argón como gas de protección ayuda a que el cordón de
soldadura se solidifique de forma homogénea, haciendo que las
estructuras dendríticas del cordón sean uniformes.
A medida que se aumenta el amperaje como parámetro de soldadura,
la temperatura del material de aporte aumenta y conlleva a que el área
de la zona afectada por el calor aumente.
Los valores más altos de microdureza Vickers se alcanzaron para
todas las muestras en el cordón de soldadura, debido a que el material
de aporte se encuentra a una temperatura superior a la de
recristalización, la cual disminuye relativamente rápido, generando
mayor dureza en la zona. Al comparar se obtienen los valores máximos
en las muestras soldadas mediante el método de transferencia del
aporte por Corto circuito.
78 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
La soldadura mas uniforme en cuanto a penetración, ancho de cordón,
mejor acabado de superficie en el estudio macroscópico, fue la de la
muestra realizada por el método de corto circuito.
El material base ensayado AISI 304 cumple con los valores de la
composición química teórica, lo cual corresponde a su naturaleza.
Los parámetros de soldadura utilizados son los que produjeron un
mejor aspecto del cordón y a su vez se encuentran dentro del rango de
los valores teóricos recomendados para cada modo de transferencia
del aporte.
La resistencia a la tracción de las uniones soldadas por el método de
arco rociado son mayores a las soldadas por los métodos de corto
circuito y globular. Lo que representa una mayor ductilidad en dichas
muestras, debido a que presenta un porcentaje de elongación mayor al
presentado por las otras muestras.
5.2 Recomendaciones
Se propone la realización del ensayo de fatiga, área de penetración, y
ensayo de impacto para el estudio de la influencia del modo de
transferencia del aporte en un proceso de soldadura GMAW.
Se recomienda para estudios posteriores tomar en cuenta la variación
de otros parámetros, tales como el espesor de la lámina y el gas de
Capítulo V. Conclusiones y Recomendaciones 79
protección a utilizar para así poder obtener mayor información acerca
del comportamiento del acero austenítico AISI 304.
Se recomienda la utilización de piezas de prueba para establecer los
parámetros de soldadura más adecuados para cada modo de
transferencia, ya que en la bibliografía se presentan rangos de valores
teóricos que no son los que se reflejan en la realidad.
El soldador debe ser calificado y poseer experiencia acerca del
proceso de soldadura GMAW.
RReeffeerreenncciiaass BBiibblliiooggrrááffiiccaass
[1] Rodríguez M. Indira, España D. Carmen. Influencia del flujo de gas
protector en las propiedades mecánicas y metalúrgicas en juntas
soldadas de acero a-36 usando un proceso de rociador y cortocircuito.
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[2] Pereira, J., Durán L., Van Deventer, D. y Zambrano, J. Comportamiento
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térmicamente. X Congreso Iberoamericano de Metalurgia y Materiales,
Cartagena – Colombia, 2008.
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[5] “Soldadura” [Documento en línea] Disponible en:
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rch=soldadura&form=F&conectSearch=AND
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