Proyecto de Soldadura FACW - Grupo 2
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MANTENIMIENTO DE MAQUINARIA PESADA
C2 - 3 – C
Proyecto Integrador I (Para tercer ciclo)
ESTUDIO DE LA TÉCNICA DE SOLDADURA FCAW EN LAS ZAPATAS DESGASTADAS DEL TREN DE RODA-
MIENTO DE UN TRACTOR DE CADENAS CATERPILLAR D6R PARA REDUCIR LOS COSTOS DE REEMPLAZO
Autores:
Alumno 1: Escalante Rojas, Richard Jesús
Alumno 2: Medina García, Eduardo Joel
Alumno 3: Ortiz Loayza, Geanfranco Anderson
Alumno 4: Varillas Ártica, Mónica Ybbet
Lima – Perú
2014 – 2
RESUMEN
Nuestro proyecto está basado en el análisis y estudio de la técnica de soldadura
FCAW para poder utilizarla en la reconstrucción de las zapatas de un tractor de
cadenas Caterpillar D6R. Como sabemos, al desgastarse las zapatas de la maquina-
ria ya descrita se va a generar la necesidad de cambiarlas por otras nuevas ocasio-
nando costos elevados a la empresa, en vista de ello, nosotros nos hemos enfocado
en poder reducir los costos de mantenimiento del tren de rodamiento, específica-
mente de las zapatas, y para esto vamos a reconstruir las zapatas con soldadura,
para ello tuvimos que comprobar por medio del marco teórico y la evaluación técni-
ca, que el procedimiento y técnica de soldadura que íbamos a utilizar era el correc-
to. Luego de analizar tres (3) tipos de soldadura determinamos que la soldadura
FCAW era la más adecuada para poder darle mantenimiento y reconstrucción a di-
chas zapatas ya que posee ventajas ideales para cualquier empresa constructora o
minera. Después de haber analizado diferentes tipos de material de aporte con fi-
chas técnicas decidimos utilizar el EXATURB Mn Cr-O pues cumplía con todas las
características que requería la zapatas (acero hadfield) y podía mejorar sus propie-
dades mecánicas. En la evaluación técnica se detalló el proceso de soldadura FCAW
con el material de aporte EXATURB Mn-Cr-O. Después de aplicar dicha soldadura se
tendrá que realizar ensayos superficiales para poder determinar y comprobar la
calidad de soldadura efectuada. Los resultados que pudimos obtener fue que al apli-
car la soldadura FCAW en la zapatas, estas seguirán conservando y mejoraran sus
propiedades mecánicas. El propósito de haber realizado este proyecto es poder ge-
nerar una disminución de costos respecto al mantenimiento del tren de rodamiento
del Caterpillar D6R
ESTUDIO DE LA TÉCNICA DE SOLDADURA FCAW EN LAS ZAPATAS DESGASTADAS DEL TREN DE RODA-
MIENTO DE UN TRACTOR DE CADENAS CATERPILLAR D6R PARA REDUCIR LOS COSTOS DE REEMPLAZO
1. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
1.1. ORIGEN DEL PROBLEMA
En el tren de rodamiento de un tractor de cadenas CATERPILLAR D6R se
encuentran Las zapatas, las cuales soportan todo el peso de la maquinaria, y al
movilizarse se desgastan por contacto con las rocas, tierra o elemento de
sustentación.
Al aumentar la velocidad en el trabajo las zapatas del D6R se desgastan más
rápido, además el deslizamiento y giro producen también un desgaste excesivo
en las mismas.
El trabajo continuo que realiza el D6R en terrenos cumbres, aparte de generar
desgaste también provoca debilitamiento en las zapatas haciendo que se creen
grietas ocasionando la fractura. La abrasión y corrosión están presenten
cuando se trabaja en terrenos dificultosos que generalmente las compañías
constructoras deben afrontar con sus maquinarias.
1.2. EFECTOS DEL PROBLEMA
Ya que el mantenimiento del tren de rodaje representa un monto muy
importante de dinero para la empresa, repararlo con el método FCAW sería
para la empresa una forma eficaz de ahorrarse en piezas nuevas.
Aunque el desgaste sea inminente, el alargar la vida útil de los componentes es
algo que se puede hacer, reduciendo así el costo en el mantenimiento de las
zapatas.
Al no poder disminuir los gastos de mantenimiento de las zapatas, las
ganancias de la empresa disminuyen. Además, si las zapatas que se adquieren
a un determinado precio tienden a subir de precio se pueden producir gastos
más elevados y hasta pérdidas de ganancias.
El aplicar soldadura para la reparar y mejorar las zapatas hace que se ahorre
hasta un 31% en gastos de zapatas nuevas.
2. ANTECEDENTES
Lo que hoy en día se busca en el sector de equipo pesado en las empresas construc-
toras es ver cómo se puede solucionar el desgaste rápido que sufren las zapatas, ya
que, esto es un problema que afecta a la maquinaria y a la situación economía de la
empresa. Lo que nosotros haremos es centrarnos en la zapata, pieza que está ubica-
do en el tren de rodamiento y que se ven dañadas por las condiciones del terreno. La
tasa de desgaste y los problemas estructurales van a depender de cómo se encuentra
el terreno, esto puede variar, ya que, a la vez que se pueden encontrar terrenos a
trabajar en buen estado es también posible encontrar terrenos en muy mal estado
por lo tanto el desgaste y los problemas estructurales serán puntos muy importantes
a desarrollar.
2.1. FACTORES A TENER EN CUENTA PARA EVITAR DESGASTE
SEGÚN CATERPILLAR
CATERPILLAR realizó un seguimiento a las zapatas determinando los factores del
desgaste.
2.1.1. CONTACTO DESLIZANTE CON EL MATERIAL DE TERRENO:
En este caso el mismo terreno de trabajo seria la causa del desgaste, ya que la
maquina trabaja en un terreno fangoso y escabroso. Las causas que aceleran su
desgaste serían el peso de la máquina, su potencia, la velocidad, el impacto, la
abrasión, el terreno y todo lo que ocasione giros o deslizamientos que no tengan nada
que ver con producción. Todo esto ocasionaría una reducción en la capacidad máxima
de las operaciones de la máquina y en su producción.
2.1.2. EXCESO DE CARGA:
El exceso de carga también hace que se acelere el desgaste, en especial a las zapatas
haciéndolas más propensa al doblamiento.
2.2. OTRAS SOLUCIONES
2.2.1. APLICAR SOLDADURA SMAW
Se podría decir que la soldadura SMAW es una muy buena opción por su bajo costo
pero de no tanta confiabilidad como la soldadura FCAW. También, porque posee una
amplia gama de materiales de aporte con buena resistencia al impacto y a la abrasión,
diseñados específicamente para la minería. El proceso de soldadura SMAW, en tra-
bajos de reconstrucción y protección, es una excelente opción ya comprobada por
las grandes empresas de la industria de la soldadura.
CITOMANGAN
2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.2.
APLICAR SOLDADURA FCAW
La soldadura FCAW es una muy buena opción ya que esta técnica de soldadura produ-
ce un metal de alta calidad con un costo más bajo (es un proceso más rápido) y menor
esfuerzo por parte del soldador que con SMAW, además es más tolerante que GMAW y
más flexible y adaptable que SAW.
FLUXOFIL 66
Hilo tubular metalcored de recargue fue duro. El metal depositado es resistente a la
figuración y altamente resistente a la abrasión e impacto, con formación de carburos
duros. En caso de fuertes espesores a recargar es aconsejable soldar las 2 últimas
pasadas con FLUXOFL 66 y el resto con FLUXOFIL 31 o 35. No es mecanizable con he-
rramienta. Adecuado para rodillos de machacadoras, palas de mezclado, perforadoras
y otros
FLUXODUR AP-O
2.2.3. APLICAR SOLDADURA GMAW
También hemos considerado la técnica de soldadura GMAW porque sus grandes venta-jas hacen el proceso de soldadura ideal para aplicaciones de soldadura en alto volu-men de producción y automatizadas.
CARBOFIL PS-6 GC
EXSAFIL I99
3. OBJETIVOS
3.1. OBJETIVO GENERAL
Reducir los costos de mantenimiento (en un treinta por ciento a más) de las
zapatas desgastadas del tren de rodamiento de un tractor oruga Caterpillar
D6R
3.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Conservar o mejorar las propiedades mecánicas de la zapata después de
haberlas reconstruido mediante la técnica de soldadura FACW.
Seleccionar el material de aporte más apropiado para el material base de
las zapatas; éste material de aporte debe aumentar las propiedades mecáni-
cas o al menos mantenerlas.
Se debe de comprobar mediante la evaluación económica que aplicar la solda-
dura FCAW es la forma más eficaz y rentable de darle mantenimiento al con-
junto de zapatas.
4. MATRIZ DE CONSISTENCIA
PROBLEMA OBJETIVO
GENERAL Las empresas constructo-ras tienen en su flota de
Implementar una repara-ción alternativa a las zapa-
maquinaria un serie de orugas que son indispensa-bles en el tratamiento del terreno y en el acabado de la construcción; el proble-ma con las orugas es que las zapatas, que son parte del tren de rodamiento del sistema ORUGA, sufren mucho daño por parte del terreno de trabajo hacien-do que éstas tengan que ser atendidas y arregladas en la más próxima instan-cia para no afectar la pro-ductividad de la empresa.
tas utilizando la técnica de soldadura FCAW.
1. ESPECÍFICO TÉC-NICO
Las zapatas que general-mente están hechas de acero al manganeso (acero hadfield) son muy resisten-tes a la ruptura y al impac-to que se da en el terreno de trabajo, sin embargo, las exigencias de trabajo que se le otorga a la oruga cuando ésta opera las 24 horas en la constructora hace que las zapatas ob-tengan un desgaste normal aun cuando ésta tenga muy buenas propiedades mecánicas.
Aumentar las propiedades mecánicas a las zapatas con la utilización de la sol-dadura FCAW con el ma-terial de aporte EXATUB MN-CR-O para aumentar la resistencia al impacto.
2. ESPECÍFICO ECO-NÓMICO
El reemplazo de las zapa-tas genera costos abruma-dores a la empresa y ésta desea reducir ese costo a una tarifa accesible para que toda la empresa pueda beneficiarse e implementar en nuevas tecnologías.
Disminuir los gastos que se genera al comprar nuevas zapatas y así dar un gran ahorro a la economía de la empresa.
3. ESPECÍFICO AM-BIENTAL
Al no depender de zapatas nuevas, la producción en masa de éstas va a redu-cirse ocasionando que el proceso de fabricación no sea tan usual y que se re-duzcan todos los compo-nentes contaminantes que se presentan en el proceso de fabricación.
Reducir la producción en masa de las zapatas.
5. DIAGRAMA DE CAUSA EFECTO
6. MARCO TEÓRICO
6.1. MATRIZ DE SOLUCIÓN
En el tractor de cadenas D6R, en generalmente todos los tractores orugas su vida útil
y estructura de las zapatas es afectada mayormente por las condiciones de terrenos
fangosos abrasivos. Esto es un problema ya que aproximadamente el 20% del precio
de compra de la oruga se destina al tren de rodaje, pero lo más importante es que
alrededor de 50% del costo de mantenimiento que estará destinado al tren de rodaje
en la cual se encuentra las zapatas que son las que mayormente sufren desgastes por
abrasión e impacto.
Una vez realizada los estudios, análisis y evaluaciones se escogió la solución de aplica-
ción de soldadura FCAW, ya que cuenta con grandes beneficio a diferencia de otras
soldaduras como, como gran taza de deposición hasta 4 veces mayor al SMAW, depo-
sición de metal de buena calidad, la posibilidad de soldar generalmente todos los ace-
ros, el empleo, buena productividad, las cualidades metalúrgicas que pueden derivar-
se en el fundente del electro tubular de acuerdo al tipo de material base que se quiera
soldar brindándole así mas propiedades y la posibilidad de soldar con autoprotección
Fig 1 y con gas de protección Fig 2.
Es por esta razón que actualmente muchas empresas constructoras como mineras la
están aplicando en la reconstrucción de sus maquinarias como en otras aplicaciones
por su confiabilidad y además de que posee una amplia gama de materiales de aporte
con una buena resistencia al impacto y abrasión. Una vez tenido en claro el proceso de
soldadura el cual vamos a usar analizaremos y seleccionaremos el material de aporte
más apropiado para el recubrimiento de las zapatas del tractor de cadenas D6R.
6.2. CARACTERÍSTICAS DEL TREN DE RODAMIENTO DEL D6R
Fig1.Autoproteccion Fig2. Con protección
TREN DE RODAMIENTOSTipo de la zapata de la cadena estándar 560mm (22pulg)Rodillos por cada lado 6Cantidad de zapatas por lado 39Área de contacto con el suelo 2,98m2 (4,620pulg2)Longitud de la cadena en el suelo 2,664mm (8pies 9pulg)Presión sobre el suelo 0,614Kg/cm2 (8,74lb/pulg2)
6.3. DESCRIPCCIÓN DE LAS ZAPATAS
Las zapatas amplias y templadas pueden reducir la vida útil de la cade-
na en un 50 por ciento y acelerar el desgaste de todos los componen-
tes, especialmente si se trabaja en un terreno irregular.
Estas zapatas están diseñadas para poder proporcionar una excelente
tracción y flexión para de esta manera se pueda facilitar los giros.
6.3.1. ESTRUCTURA DE LAS ZAPATAS DE ACERO HADFIELD
Estos aceros son no magnéticos y extremadamente tenaces porque en
ellos la transformación martensítica de endurecimiento se suprime debi-
do a la combinación de alto contenido de manganeso y carbono, y la
precipitación de carburos, propiciada una alta velocidad de enfriamiento
desde temperaturas de austenización. Esto porque el acero Hadfiel nor-
malmente se austeniza para disolver los carburos y producir austenita
homogénea, que se preserva enfriando rápidamente en agua desde arri-
ba de 1000º C.
Los aceros Hadfield están caracterizados por sus propiedades mecáni-
cas como son: alta resistencia a la tracción y a la compresión, elevada
ductilidad y excelente resistencia al desgaste. Este material es el único
que combina alta resistencia y ductilidad con gran capacidad de endure-
cimiento por deformación y, usualmente, buena resistencia al desgaste.
Por tales razones este material es especialmente útil en aplicaciones
donde se requiera abrasión y alto impacto, como en los revestimientos
de las zapatas de la oruga.
La norma ASTM – 128, que se refiere a este acero permite un intervalo
de composición que va de 1,0 a 1,4% de carbono y de 10 a 14% de Mn.
Sin embargo, las aleaciones comerciales con más de 12 o 13% de Mn se
usan raramente debido a los costos. Más aún, el endurecimiento por
deformación en una aleación con 1,15% C alcanza un máximo para 13%
Mn.
6.3.2. PROPIEDADES DEL ACERO HADFIELD
La propiedad única de este acero es su rápido endurecimiento por defor-
mación desde la resistencia a la cedencia de 79 MPa hasta la resistencia
última de 965 MPa. En los ensayos de abrasión por desportillamiento, el
acero Hadfield se comporta mejor que los aceros aleados laminados, los
aceros vaciados, los aceros inoxidables, los aceros de herramientas o
los hierros blancos de alto cromo.
Esas combinaciones de propiedades lo hacen útil en aplicaciones tan
diversas como orugas para tractores, intercambiadores de vías férreas,
recubrimientos de molinos de trituración y molienda, mandíbulas y co-
nos de trituradoras, martillos de impacto, dientes excavadoras y placas
no magnéticas para electroimanes
Estos aceros austeníticos al manganeso presentan ciertas propiedades
que tienden a restringir su uso, por ejemplo, son difíciles de maquinar y
usualmente tienen resistencia a la fluencia de 345 a 415 MPa (50 a 60
Ksi).
Por tanto, no son aptos para partes que requieren alta precisión en sus
medidas, obtenidas por maquinado, o que deben resistir deformación
plástica cuando se someten a tensiones elevadas durante el servicio. La
resistencia última es de 965 MPa, la reducción de área del 40%, la dure-
za en estado enfriado es de 190 B y en el momento de la fractura es de
500 HB, la energía absorbida en el ensayo Charpy a 22º C es de 169 J y
de 7 J a -196º C .
6.4. FACTORES NO CONTROLABLES QUE CAUSAN EN DESGASTE DE LAS ZAPATAS
Como sabemos los cargadores de cadenas D6R son utilizados para trabajos
con altos grados de desgaste en la remoción y extracción de escombros, en
donde las zapatas es la parte que más desgaste sufre en la cadena de roda-
miento del D6R. Por una variedad de factores fuera de control que afectan el
ritmo y patrones del desgaste del tren de rodaje las cuales son el suelo y con-
diciones de terreno.
Generalmente, las condiciones del suelo y de tracción no pueden controlarse.
Estas condiciones incluyen abrasión, impacto, acumulación, e incluso efectos
corrosivos y de temperatura del medio ambiente.
DESGASTE POR ABRASION
Los desgastes por abrasión en las zapatas se rigen a las condiciones abrasivas
de los terrenos. En donde la cantidad de humedad desempeña un importante
papel al definir el grado de abrasión. Por ejemplo, la arena de cuarzo puro,
seca puede ser sólo la décima parte de lo abrasiva que es la mezcla de pasto-
sa de arena de cuarzo puro mojada saturada, y sólo la mitad de lo abrasi-
va cuando está en condición húmeda.
Esto se debe a que la humedad afecta la relación en que las partículas se
transportan hasta la superficie pegándose al metal y provocando así un des-
gaste mayor. Para identificar el grado abrasivo en términos de alto, medio y
bajo, se usan las siguientes condiciones:
- Alto:
Suelos mojado, saturados que contienen una mayoría de partículas de arena duras,
angulares y afiladas.
- Moderado:
Suelos ligeramente o intermitentemente húmedos que contienen una pequeña porción
de partículas duras, angulares o afiladas.
- Bajo:
Suelos secos o rocas que contienen una porción muy pequeña de partículas duras,
angulares o afiladas, o de fragmentos de roca.
DESGASTE POR IMPACTO
El impacto no se ve afectado por otras condiciones variables tales como la humedad o
la dureza de las partículas del terreno. El impacto se puede definir como alto,
moderado o bajo. El impacto, determinado por el peso y la velocidad de la máquina, se
define en la sección .Descripción de las clasificaciones de impacto:
- Alto
Superficies duras impenetrables con protuberancias constantes de 15 cm (6 pulg) o
mayores.
- Moderado
Superficies parcialmente penetrables con exposición constante a protuberan-
cias más pequeñas que las encontradas en las de impacto alto.
- Bajo
Superficies completamente penetrables (que proporcionan soporte completo a la plan-
cha de la zapata) con baja exposición a protuberancias de cualquier tamaño. El efecto
más importante causado por el impacto se presenta como problemas estructurales,
por ejemplo, agrietamiento, fisuras, roturas, descascarado, astillado, enrollamiento y
retención de la tornillería, pasadores y bujes. Sin embargo, cuando el grado de impac-
to se combina con las condiciones abrasivas, puede afectar las tasas de desgaste y la
vida útil por un factor de dos o más.
DESGASTE POR LAS CONDICIONES AMBIENTALES
Existen condiciones ambientales que pueden o no relacionarse con condiciones del
suelo y terreno.
- Humedad
Los efectos de la humedad que influyen en las condiciones abrasivas como ya se han
explicado anteriormente, de por sí, además de eso la humedad y el agua pueden co-
rroer (oxidar) el acero con lo consiguiente favoreciendo así en forma directa el desgas-
te., ya que a mayor cantidades de humedad aumentan los efectos corrosivos.
6.5. CARACTERÍSTICAS DE LOS MATERIALES DE APORTE A EVALUAR
6.5.1. EXATUB 600-O
6.5.2. EXATUB Mn Cr-O
7. DESARROLLO DE LA PROBLEMÁTICA
7.1. EVALUACIÓN TÉCNICA
Para la evaluación técnica se tuvo que realizar una serie de estudios analizar el proce-
so de soldadura FCAW más a fondo, su relación con la reconstrucción de aceros de alta
aleación, tener en cuenta como se aplica, que se necesita, parámetros, etc. Además,
se explicara detalladamente porque el material de aporte EXATUB Mn Cr-O es el más
apropiado para trabajos en terrenos abrasivos en la minería.
7.1.1. DESCRIPCION E IMPORTANCIA DEL PROCESO EN LA
RECONSTRUCCION DE PIEZAS METALICAS
Actualmente el proceso FCAW ha ido ganando terreno, ya que este proceso combina
características de la soldadura por arco sumergido (SMAW), soldadura por arco metal y
gas (GMAW) y la soldadura por arco sumergido. Sin embargo, la capacidad del proceso
FCAW tiene dos variantes principales que difieren en su método de protección del arco
y del charco de soldadura contra la contaminación de gases atmosféricos (oxígeno y
nitrógeno).Una de ellas la FCAW con autoprotección, protege el metal fundido median-
te la descomposición y vaporización del núcleo de fundente en el calor del arco. El otro
tipo, la FCAW con escudo de gas, utiliza un flujo de gas protector además de la acción
del núcleo fundente. Por lo tanto muchas empresas mineras o de construcción están
usando este tipo de soldadura en la reconstrucción de componentes o piezas, ya que
la soldadura con FCAW tiene muchas ventajas con respecto a otros métodos de solda-
dura por ejemplo como su buena productividad, taza de deposición hasta 4 veces ma-
yor a la de SMAW, cualidades metalúrgicas que pueden derivarse en su fundente, cali-
dad de soldadura, posibilidad de soldar casi todos los aceros, etc.
El equipo de soldadura por arco con núcleo fundente auto protegido es simple debido
a que puede ser trasladado sin dificultad. Este equipo de soldadura FCAW comparado
con equipo por soldadura SMAW es un poco más costoso, pero la adquisición del
equipo depende mucho de la empresa, ya que si la empresa desea usar el equipo por
soldadura SMAW le será un poco más barato pero el tiempo en reparar las zapatas y
calidad tardara mucho más. En tanto el trabajo se retrasaría mucho a comparación con
la soldadura FCAW y el retraso de trabajo para un empresa y la ineficiencia es perdi -
da de dinero para una empresa.
7.1.2. COMPATIBILIDAD DEL MATERIAL DE APORTE CON LA ES-
TRUCTURA DE LA ZAPATA Y EFICIENCIA EN TERRENOS
ABRASIVOS
La soldabilidad de los aceros depende directamente del grado de % de carbono. Si el
acero tiene un alto grado del porcentaje de carbono será difícil de soldar. Por lo tanto
decimos que a mayor cantidad de carbono presente en la aleación se dificulta la solda-
dura, y a menor carbono aumenta la soldabilidad del material.
Los aceros que además de contener un determinado porcentaje de carbono, silicio,
manganeso, azufre, fosforo, hierro, tienen otro elemento que hace que adquieran pro-
piedades y características que comúnmente no poseen los aceros ordinarios al car-
bono. Mientras más % de aleación tenga un acero el proceso se hace más complejo.
Los aceros de alta aleación son todos los aceros, cuya suma total de elementos de
aleación sobrepasa el 10%, llegando en algunos casos hasta porcentajes superiores al
40%; tal es el caso de los aceros al manganeso (hadfield). El EXATUB Mn Cr-O gracias
a la capacidad calorífica que le proporciona el proceso FCAW se fusiona fácilmente con
materiales como el acero de alta aleación hadfield (zapata).
La tabla 1. fue extraída de la hoja técnica del material de aporte se muestra la infor-
mación de la composición química del EXATUB Mn Cr-O.
C Mn Si P S Mo Ni Cr Cu OTROS
0.40 15.00 0.50 - - - - 14.00 - -
Si bien como se puede ver en la tabla la composición química del electrodo llega a ser
parecido hasta en un 85% con respecto a la composición de la zapata del tractor D6R.
Las propiedades mecánicas del material de aporte se muestran en la tabla2, las cua-
les darán mayor resistencia al impacto, abrasión y de compresión en las zapatas.
Resistencia a la Abrasión
Resistencia al impacto
Resistencia a la compresión
Dureza en 3 capaz
Mediano Excelente Excelente 210 – 240HB(Metal depositado)
45 – 55HRCEndurecimiento en el
trabajo)
Tabla 1 .composion quimica
Tabla2.Propiedades mecánicas
APLICACIÓN
se utiliza para la reconstrucción de componentes expuestos a alto desgaste abrasivo y impacto o cargas pesadas compre-sivas.
Utilizado en el recargue de rieles y cambios de dirección de ferrocarriles, rodillos y martillos de molinos, trituradoras y chancadoras, rodillos de siderurgia y todos los componentes que requieran alta resistencia al impacto.
Empleado en la reconstrucción de los componentes de las pa-las como: sprokets, ruedas guías, zapatas, etc.
Según su hoja técnica, este tipo material de aporte se utiliza para piezas de alto des-
gaste abrasivo e impacto, además en la aplicación de reconstrucción de zapatas como
se indica. Las cuales estas propiedades son perfectas para el tipo de terreno en los
cuales se trabajan las empresas mineras y constructoras.
Descripción especifica del material de aporte EXATUB Mn Cr-O.
Alambre tubular auto protegido, su depósito es una aleación au-tentica de Cr–Mn con excelente resistencia al impacto, puede ser utilizado en la soldadura de los aceros al manganeso, en la repara-ción de componentes ferroviarios y palas mecánicas, de uso multi-propósito para recargue y unión. Su depósito austenítico presenta excelentes propiedades de endurecimiento que dependerá de las cargas de impacto y compresión a las cuales el componente este sometido. Puede ser usado sobre aceros ferríticos y austeníticos, incluido el Acero al Manganeso (Hadfield). Sus depósitos pueden soportar varias capas y no son magnéticos.
7.1.3. DESCRIPCION DEL PROCESO DE SOLDADURA
La soldadura por arco con núcleo fundente auto protegido es un proceso de soldadura
por arco que aprovecha un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el
charco de soldadura, donde la protección se obtiene a partir de ingredientes vaporiza-
dos del fundente que desplazan el aire y por la escoria que cubre las gotas del metal
derretido y el charco de soldadura durante la operación. Es por esto que la soldadura
FCAW con autoprotección es preferible para soldar en el campo como se muestra en la
figura, ya que el tipo de electrodo que se usan son tubulares que consiste en una fun-
da metálica y un núcleo con diversos materiales de aporte pulverizados.
7.1.4. EQUIPOS QUE SE UTILIZAN EN EL PROCESO DE SOL-DADURA FCAW
EQUIPO SEMIAUTOMÁTICO
El equipo básico para la soldadura por arco con núcleo de fundente autoprotegida y
con escudo de gas es similar. La principal diferencia radica en el suministro y regula-
ción del gas para el arco en la variante con escudo de gas. La fuente de potencia reco-
mendada es la de cc de voltaje constante, similar a las que se usan para soldadura por
arco de metal y gas. Esta fuente deberá ser capaz de trabajar en el nivel de corriente
máximo requerido para la aplicación especifica. La mayor parte de las aplicaciones
semiautomáticas usa menos de 500 A. El control de voltaje deberá poderse ajustar en
incrementos de un voltio menos. También se usan fuentes de potencia de cc de co-
rriente constante con la suficiente capacidad y controles y alimentadores de alambre
apropiados, pero estas aplicaciones son poco comunes.
El propósito del control de alimentación del alambre es suministrar el electrodo conti-
nuo al arco de soldadura con una velocidad constante previamente establecida. La
rapidez de alimentación del electrodo determina el amperaje de soldadura suministra-
do por una fuente de potencia de voltaje constante. Si se modifica esta rapidez, la má-
quina soldadora se ajustará automáticamente para mantener el voltaje de arco prees-
tablecido , donde la velocidad de alimentación del electrodo se puede controlar
por medios mecánicos o electrónicos.
Las pistolas típicas para soldadura semiautomática. Están diseñadas de modo que se
sostengan cómodamente, sean fáciles de manipular y duren largo tiempo. Las pistolas
establecen un contacto interno con el electrodo a fin de conducir la corriente de solda-
dura. La corriente y la alimentación del electrodo se accionan con un interruptor mon-
tado en la pistola.
EQUIPO AUTOMÁTICO
Para este tipo de operación se recomienda una fuente de potencia de cc de voltaje
constante diseñada para un ciclo de trabajo del
100%. El tamaño de la fuente de potencia está determinado por la corriente que re-
quiere el trabajo por realizar. Como pueden ser necesarios electrodos grandes, tasas
de alimentación de electrodo elevadas y tiempos de soldadura prolongados, los ali-
mentadores de electrodo por fuerza tienen motores impulsores de mayor capacidad y
componentes para trabajo más pesado que en equipo similar para operación semiau-
tomática.
Las boquillas pueden diseñarse de modo que formen un escudo lateral o concéntrico
alrededor del electrodo. El escudo lateral permite soldar en surcos angostos y profun-
dos y minimiza la acumulación de salpicaduras en la boquilla. Las unidades de boquilla
pueden enfriarse con aire o con agua. En general, se prefieren las boquillas enfriadas
por aire para soldar con corrientes de hasta 600 A. Si la corriente va a ser mayor, se
recomienda usar una boquilla enfriada por agua. Es posible usar pistolas soldadoras en
tándem con el fin de lograr tasas de deposición más altas con electrodos protegidos
por gas.
En trabajos de recubrimiento a gran escala, se puede aumentar la productividad em-
pleando equipo automático oscilante con múltiples electrodos. Estas instalaciones pue-
den incluir un manipulador montado sobre rieles que sostiene una cabeza soldadora
oscilante de múltiples electrodos con alimentadores de electrodo individuales y un
rodillo giratorio motorizado también montado en rieles, además de fuente de potencia,
controles electrónicos y sistema de suministro de electrodo.
7.1.5. PROCESO DE IMPLEMENTACIÓN
PROCESO DE IMPLEMENTACION
Como sabemos las causas del desgaste de las zapatas por abrasión, impacto e incluso
químico causada por distintos factores del terreno y el ambienten en el que se encuen-
tran las minas de la sierra y selva; la vida útil de las zapatas están en una aproximado
entre 1300 a 1200 horas de trabajo. Por ello, para fines de cálculo, asumiremos que el
tiempo de duración será de 1250 horas.
El D6R ,dedicado a trabajos de cargue de material, en las minas y constructoras, traba-
jan un promedio de 11 horas por día respectivamente, los siete días de la semana,
estas horas de trabajo incluyen las activas e inactivas de la maquina en el campo de
trabajo.
Para determinar cuánto tiempo en días el conjunto de zapatas puede funcionar
adecuadamente, se tendrá que dividir 1250 sobre 11. Entonces, obtendríamos que el
número de días trabajados son 113 .Por lo tanto, serian 16 semanas. Entonces, las
zapatas tendrán que ser cambiadas en tres oportunidades en 52 semanas (un año), de
no utilizarse el proceso de reconstrucción.
El primer conjunto de zapatas que utilice el cargador serán nuevas y serán rehusadas
dos veces más, gracias a la reconstrucción que se les proporcionara con la soldadura,
ya que según caterpillar, las zapatas que ya cumplieron su ciclo de vida solo se pue-
den reconstruir dos veces. Para que se produzca la reconstrucción la zapata tiene que
haberse desgastado hasta un nivel determinado; por ello, necesariamente se tienen
que llevar un proceso de mediciones previas.
PROPUESTAS PARA EL DESARROLLO DE LA SOLUCIÓN
Lo que se propone, para identificar el desgate que sufren secuencialmente las zapatas
de ambos trenes de rodamiento del D6R. Es primeramente en medir el desgaste que
van sufriendo poco a poco las zapatas para poder soldarlas en el momento oportuno y
no permitir un desgaste que ya no se pueda solucionar.
Bueno para la verificación del desgaste de las zapatas de ambos laterales del tren de
rodamiento de un D6R se necesitaran un máximo de 3 horas (sin incluir la verificación
de otros componentes del tren de rodamiento).Durante las 16 semanas, en las que
aproximadamente el conjunto de 78 zapatas puede trabajar de forma adecuada, se
tendrán que realizar 3 mediciones de desgaste. La primera, en la octava semana, para
verificar que el curso del desgate se está produciendo con normalidad y no va en ritmo
acelerado. La segunda y la tercera verificación se realizaran en las semanas 15 y 16,
pues probablemente la zapata alcance su límite de desgaste establecido antes de lo
previsto.
REALIZACIÓN DE LAS MEDICIONES DE DESGASTE SUFRIDO
Para determinar cuánto desgate han sufrido las zapatas, en las semanas de verificacio-
nes, tendrán que realizarse medidas con ultrasonido, pie de rey, reglas, e instrumentos
que Caterpillar incluye en la venta de Maquinarias. Para la verificación de medidas,
solo se necesitara de un personal, que trabaje 9 horas en la primera reparación que
suman en total 18 horas en los dos procesos de reconstrucción que se realizaran en un
año con soldadura FCAW.
Uso del indicar por ultrasónico para medir el desgaste:
El indicador de desgaste ultrasónico mide el espesor de los componentes, mediante el
envío de ondas sonoras de frecuencia alta a través del material que se está midiendo.
El tiempo transcurrido entre la emisión y la recepción de las ondas sonoras le permite
a la herramienta determinar el espesor.
En las zapatas en donde ya se ha hecho la primera reparación con soldadura FCAW se
realizara 3 seguimientos como ya se menciona anteriormente. En donde si la soldadu-
ra no penetra completamente se hará el uso de un medidor de profundidad para deter-
minar el porcentaje de desgaste, ya que este indicador nos dará la distancia desde la
punta de la garra hasta la parte inferior de la plancha. Esta medición debe tomarse a
un tercio de la distancia total desde el borde exterior de la zapata, y la sonda puede
ponerse en la parte de arriba o de abajo. El desgaste de la altura de la garra se mide
con el medidor de profundidad de base ancha, poniendo la base a través de dos garras
adyacentes y usando el medidor para obtener la distancia hasta la plancha. El medidor
de profundidad debe ponerse a un tercio de la distancia total desde el borde exterior
de la zapata, en casos de desgaste desigual, de afuera hacia adentro, de la garra.
Los límites de desgaste de todas las zapatas se basan en tres criterios, en el orden
siguiente:
Resistencia restante al doblamiento de la zapata de ancho “estándar”.
Base restante disponible en la garra para la reconstrucción.
Capacidad restante de penetración y tracción dela zapata para evitar pérdidas
en la producción.
Las mediciones tendrán que satisfacer las mediciones establecidas en el siguiente cua-
dro:
Límite máximo de desgaste permisible en %, respecto a sus medidas iniciales.
Medición de desgaste
Semana Parte 1 Parte 2 Parte 3 Parte 4 Parte 5
1 4 10% 10% 10% 20% 20%2 7 20% 20% 20% 30-40% 30-40%3 8 30% 30% 30% 50-55% 50-55%
DESMONTAJE
Una vez que se halla determinado, por las supervisiones de medición del técnico, que
las zapatas requieren de reconstrucción se tendrá que llevar la maquinaria al taller de
mantenimiento para proceder a desarmar el tren, extraer las zapatas y soldarlas con
procedimiento manual. Se estima que el tiempo que se demora un técnico para realiza
todo el proceso de reconstrucción (desde desarmar en tren de rodamiento hasta
colocar otra vez las zapatas en el mismo) es de 7 días (8 horas cada día).Es decir un
trabajo de 56 horas, 112 horas en las dos reconstrucciones de zapata que se
realizaran.
Traslado del conjunto de zapatas al taller de la compañía minera:
Primero, se tiene que trasladar la maquinaria completa hacia el taller de mantenimien-
to, en allí se procederá a desarmar el tren de rodaje para extraer las zapatas y soldar-
las por unidad con el proceso manual de soldadura FCAW.
PLANIFICACIÓN PARA LA RECONSTRUCCIÓN DE LAS ZAPATAS
El acero al manganeso austenítico, en el cual, mediante la adición de un 16% de Mn y
un enfriamiento rápido, se obtiene un material que se caracteriza por una elevada
resistencia y su ductilidad. Particularmente recomendado para piezas sometidas a
condiciones severas, combinadas con alto impacto y abrasión. Tan importante como la
temperatura, es el tiempo que permanecerá a la misma. La soldadura a altas
temperaturas durante un corto periodo de tiempo, no es más crítica que a
temperaturas bajas durante un largo periodo. Una temperatura superior a 450°C, es
muy perjudicial, independientemente del tiempo que permanezca a la misma. Entre
260° y 450°C, la fragilización dependerá de varios factores (volumen de la pieza,
tiempo de exposición, número de pasadas).Variables e indicaciones que tienen que ser
controladas al momento de realizarse el proceso de soldadura FCAW:
El ancho de las zapatas involucra el comportamiento de varios componentes del tren
de rodaje, es una variable controlable, al momento de realizar la soldadura, se puede
regular; inclusive, se puede reducir el ancho de zapatas que se necesiten para los
próximos trabajos a realizar. El ancho de las zapatas, como Caterpillar mismo lo dice,
puede afectar una serie de elementos interrelacionados de la cadena, como los sellos
y la integridad de la lubricación, los eslabones agrietados con el desgaste de las
pestañas de rodillos y con la tasa de desgaste de los bujes.
Las zapatas más anchas de lo necesario no mejoran la vida útil. La variable principal
que afecta la vida útil de las zapatas es el patinaje.
El ancho de la zapata y el grado de impacto (choque) pueden afectar la vida útil del
tren de rodaje. Como el ancho de zapata es una variable controlable, se pueden mejo-
rar el rendimiento y la vida útil de los componentes al soldarla de forma correcta y
puede ser más efectivo al reducir el ancho de la misma, en el proceso de soldadura.
Mantener el ancho de zapata que proporcione la flotación adecuada, pero no más que
la necesaria. La zapata más angosta que proporcione la flotación adecuada evitará
que la máquina se entierre o se hunda en el material del terreno. La flotación aumenta
proporcionalmente con el ancho de la zapata.Un ancho adicional de zapata no
proporciona mayor penetración ni tracción y, por tanto, no aumenta la producción, si
se tiene la flotación adecuada.
PROCEDIMIENTOS
ANTES DE SOLDAR
Realización del pre-calentamiento:
Para realizar el pre calentamiento se tiene que determinar el carbono equivalente y ubicarlo en la gráfica, de acuerdo al %C y C.E. Para poder medir la temperatura se usará de un pirómetro.
Según la gráfica %C - CE el acero de la zapata se encuentra en la zona 3 ya que posee 1,2%C y 3,72 de CE. Esto quiere decir que el acero es de difícil soldabilidad y de alto riesgo de formación de estructuras frágiles.
Para determinar la temperatura de pre-calentamiento se tendrá que utilizar el siguiente método, en base a al espesor de la zapata
Dónde:
CT = Carbono equivalente total en %
Cq = Carbono equivalente dependiente de la corrosión química en %
Ce = Carbono equivalente dependiente del espesor del material en mm.
e = espesor del material en mm.
FORMULAS
CT=Cq+Ce
Ce=0,005(e)*Cq
Cq= C +Mn+Cr
+Ni
+7Mo
9 18 90
1. Hallamos el Cq:
Cq=2,83
2. Hallamos el Ce:
Ce= 0,005(22)*2,83 Ce=0.311
3. Con los resultados de Cq y Ce podemos hallar el CT:
CT=2,83+0,311 CT=3.14
Cq=1.2
+12.75+2
9
4. Con estos resultados procedemos a aplicar la fórmula de la temperatura de pre-calenta-miento (TP):
TP=350
TP=350 TP=595
Dónde:
TP: Temperatura de pre calentamiento
DURANTE LA SOLDADURA
Después del pre-calentamiento sellamos la zona
gastada de la zapata con el electrodo EXATUB Mn
Cr-O, ya que cumple con las características espe-
cíficas de la zapata, está hecho para aceros al
manganeso.
EXATUB Mn Cr-O
Alambre tubular auto protegido, su depó-
sito es una aleación austenítica de Cr-Mn
con excelente resistencia al impacto, pue-
de ser utilizado en la soldadura de los ace-
ros al manganeso, contiene 16%Mn, pue-
de ser usado en aceros ferríticos y asute-
níticos. Sus depósitos pueden aguantar
√3,14−0,25
√CT−0,25
varias capas y no son magnéticas. Tiene una mediana resistencia a la abrasión, una
excelente ante el impacto y otra excelente ante la compresión. Hay que mantenerlos
en lugares secos y evitar la humedad y no requiere almacenamiento en horno. Se utili-
za para la reconstrucción de componentes expuestos a alto impacto o cargas pesadas
compresivas y también en palas como: sprokets, ruedas guías, zapatas, etc.
DESPUES DE SOLDAR
Enfriamiento
Luego de la soldadura, se procede al enfriamiento. Es recomendable hacerlo en cal, ya
que el enfriamiento lento ayuda para que la soldadura no presente fisuras.
Acabado que se desea obtener al final
Se debe obtener un acabado estrecho que proporcione una flotación adecuada. Las
zapatas que son muy anchas se aflojan, doblan y rompen con facilidad. La anchura
correcta en la zapata dan el máximo rendimiento a todo el sistema y el coste, el más
bajo posible. Con la soldadura se puede aproximar a obtener las características de una
zapata nueva, con resistencia a la tracción superior para resistir la flexión y la ruptura.
Después de haber soldado la zapata, ésta debe satisfacer las medidas en base a una
zapata nueva.
REVISIÓN DE CALIDAD
Para la revisión de calidad se utilizara el ensayo no destructivo, líquidos penetrantes,
este permitirá saber si el material de aporte fue aplicado sin ninguna falla.
ENSAMBLAJE
Finalmente, habiendo pasado las horas necesarias en su mantenimiento de reconstruc-
ción, se volverán a unir las zapatas al tren de rodamiento, para que la máquina vuelva
al trabajando
7.2. EVALUACIÓN ECONÓMICA
Los datos, que a continuación se presentaran, se basan en pruebas .Se han utili-
zado todos los medios posibles para asegurar que estos datos sean correctos.
Los métodos para calcular los costos varían mucho, pues dependen de las con-
diciones del lugar, de las prácticas de la industria, de las preferencias del propie-
tario y de otros factores.
La siguiente proyección económica se da durante un año de trabajar, con la
finalidad de resaltar el ahorro porcentual, ahorro de tiempo, disminución de costos,
etc.
Se debe tener en cuenta que en un año de trabajo constante del TRACTOR DE CADE-
NAS CATERPILLAR D6R, a 11 horas diarias, se le realizan entre 3 cambios de conjunto
de zapatas; es decir, un cambio cada 4 meses aproximadamente. Cuando se
aplique soldadura, en un año de trabajo, también se tendrán que comprar 3 conjun-
tos de zapatas nuevas, pues una zapata nueva solo se puede reparar dos veces con el
proceso de soldadura FCAW.
7.2.1. COSTOS DIRECTOS
Un dato importante de la siguiente tabla es que se tendrán que comprar 25 latas de
material de aporte EXATUB Mn Cr-O, 14 latas para cada proceso de reconstrucción
que se realizará.
El técnico soldador de alta experiencia a contratar también realizara las mediciones
de desgaste, su trabajo cuesta quince dólares por hora
Costos Directos (En un año)Materiales y/o Personal
Especificación Unidad Cantidad Costo por uni-dad ($)
Costo sumado ($)
Fuente de ali-mentación para soldadura FCAW (Incluye equipa-mientos)
Ninguna Unidad 1 4000 4000
Equipamientos de seguridad para soldar
Botas de seguri-dad, casco parasoldar, guantes para soldar,mascarilla anti-gás y taponespara los oídos.
Unidad por cadaequipamiento
3 40 120
Material de apor-te EXATUB Mn Cr-O
Lata Unidad 25 140 3500
Cal Ninguno Kilogramos 8 9 72Pirómetro Ninguno Unidad 2 55 110Pie de rey y equi-po de líquidos penetrantes
Ninguno Unidad 2 25 50
Medidor por ul-trasonido
Ninguno Unidad 1 100 100
Técnico soldador y efectuador de medición de des-gaste
Pago por horas detrabajo(9+56 horas en unproceso de reparación)
Hora 130 15 1950
Tanque de oxí-geno lleno
Alquiler Unidad 1 70 70
Tanque de aceti-leno lleno
Alquiler Unidad 1 70 70
Costo semi total ($) 10042
7.2.2. COSTOS INDIRECTOS
Costos Indirectos (En un año)Materiales y/o Personal
Especificación Unidad Cantidad Costo por unidad ($)
Costo suma-do ($)
Analista de proyecto
Ninguno Hora 100 20 2000
Mesa metáli-ca para soldar
Ninguno Unidad 5 30 150
Costo semi total 2150
7.2.3. PROYECCIÓN DE COSTOS PARA UN AÑO
7.2.3.1. APLICANDO SOLDADURA
Proyección de costos para un año-Aplicando soldadura (Únicamente en el mantenimiento de
las zapatas)Número de veces en la que se aplicara solda-dura a las 78 zapatas
2
Número de veces que se comprara 78 zapatas nuevas
1
Costo de mantenimiento aplicando soldadura 12192Costo por el conjunto de zapatas nuevas($) 14625Costo total ($) 26817
7.2.3.2. SIN APLICAR SOLDADURA
Proyección de costos para un año-Sin aplicar soldadura (Únicamente en el mantenimiento delas zapatas)
Número de veces que se comprara 78 zapatas nuevas($)
3
Costo por un conjunto de zapatas nuevas($ 14625Costo total ($) 43875
7.2.4. AHORRO DE COSTOS PROYECTADOS
Ahorro de costos proyectadoCosto en un año sin aplicar soldadura 43875Costo en un año aplicando soldadura 26817Ahorro en porcentajes 38,9%
Costo en un año sin aplicar soldaduraCosto en un año aplicando soldadura
8. CRONOGRAMA DE ACTIVIDADES
En la siguiente tabla, daremos a conocer las actividades que tuvimos que realizar para
poder elaborar el proyecto.
Actividades: Descripción de las actividades realizadas
1 Primera presenta-
ción
Identifica el título, objetivos y planteamiento del proble-
ma
2 Segunda presenta-
ción
Averiguar sobre los antecedentes y poder realizar la so-
lución
3 Tercera presenta-
ción
Elaborar el marco teórico, la evaluación económica y
técnica
4 Cuarta Presenta-
ción
Llegamos a una conclusión. Realizamos cronogramas de
avances, conclusiones y le presentamos al profesor.
Elaboramos el diagrama de Gantt, para poder observar con claridad los días en que se
elaboró el proyecto.
Actividad Fecha de inicio
Duración de las ac-
tividades
Fecha de finalización
1 18/08/14 14 días 01/09/14
2 03/09/14 26 días 30/09/14
3 04/10/14 24 días 28/10/14
4 31/11/14 22 días 22/11/14
9. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
9.1. CONCLUSIONES
Se pudo comprobar a partir de la evaluación técnica y la evaluación económica
que empleando el proceso de soldadura FCAW para reparar las zapatas del D6R
en vez del proceso de mantenimiento habitual (comprar zapatas nuevas) esta-
ríamos reduciendo los costos de mantenimiento en un 38,9% respecto al gasto
total (100%).
A partir del marco teórico y la evaluación técnica pudimos concluir que al re-
construir las zapatas del D6R con el proceso de soldadura FCAW empleando el
material de aporte EXATUB Mn Cr-O se conservan todas sus propiedades mecá-
nicas e incluso las propiedades mecánicas pueden mejorar ya que la zapata ya
reconstruida puede ser endurecida aún más cuando se somete a cargas de im-
pacto y compresión.
Se comprobó según el marco teórico (evaluación de dos materiales de aporte)
que el material de aporte apropiado para reconstruir las zapatas del D6R con el
proceso de soldadura FCAW es el EXATUB Mn Cr-O ya que es una aleación aus-
tenítica de Cr-Mn con excelente resistencia al impacto y que en la industria ac-
tual es utilizado para soldar aceros al manganeso (aceros hadfield) y compo-
nentes ferroviarios que necesitan reparación y reconstrucción.
Para finalizar se concluye que, al reconstruir las zapatas usando la técnica de
soldadura FCAW con el material de aporte EXATUB Mn Cr-O la eficiencia de las
zapatas del D6R (tiempo de duración respecto a una zapata nueva) oscila entre
un 90% a 105%.
9.2. RECOMENDACIONES
Para realizar un mantenimiento que permita ahorrar, se tiene que seguir las
indicaciones de implementación sin olvidar un solo detalle. La revisión se debe
hacer a cada zapata mediante el ensayo de líquidos penetrantes, ya que si se
coloca una zapata mal reconstruida en el tren de rodamiento, esta producirá
desperfectos en la máquina.
El soldador debe tener mucha experiencia, ya que el objetivo es obtener una
zapata que pueda trabajar con una efectividad, que oscile entre 90 a 104 por
ciento.
El proyecto se centra únicamente en zapatas de un tractor de cadenas D6R y
que el material de aporte está diseñado exclusivamente para maquinas este
tipo de máquinas.
10. BIBLIOGRAFÍA
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