UNIVERSIDADNACIONALDESANAGUSTÍN DE AREQUIPA ...

Propiedad Intelectual de la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa

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UNIVERSIDADNACIONALDESANAGUSTÍN DE AREQUIPA

FACULTADDEINGENIERÍADEPROCESOS

ESCUELAPROFESIONALDEINGENIERÍAMETALÚRGICA

“ANÁLISIS DE LA RECUPERACIÓN DEL PESTILLO DE

COMPUERTA DE CUCHARÓN DE PALA MECÁNICA 3800-4100

POR PROCESO DE SOLDADURA SMAW”

I

Tesis presentada por el Bachiller:

CHAMBI PAUCAR, HELBER GIOVANNI

paraoptarelTítulo Profesional de

INGENIERO METALURGISTA.

AREQUIPA–PERU

2014


1

PRESENTACIÓN

Señores miembros del Jurado:

Cumpliendo con el Reglamento de Grados y Títulos de la Facultad de

Ingeniería de Procesos – Escuela Profesional de Ingeniería Metalúrgica,

presento a vuestra consideración la Tesis Titulada:

“ANÁLISIS DE LA RECUPERACIÓN DEL PESTILLO DE COMPUERTA DE

CUCHARÓN DE PALA MECÁNICA 3800-4100 POR PROCESO DE

SOLDADURA SMAW”

Siendo la unión de metales un proceso industrial que tiene gran importancia en

la recuperación de diferentes piezas metálicas, es necesario que se tome en

cuenta, las principales variables que permiten una calidad de unión soldada

garantizada, y no solo la experiencia del soldador, para ello realizamos un

análisis de proceso de soldeo empleado en un taller de mantenimiento y su

posterior análisis de la soldadura realizada.

El presente trabajo involucra aspectos de análisis Metalográfico, ensayos de

tracción, de impacto y de dureza para desarrollar el análisis de la soldadura.

Se considera un marco teórico de la soldadura, llegando luego a las pruebas

experimentales que se elaboraron en los laboratorios de ensayo de materiales

y metalografía.

Bach.CHAMBI PAUCAR, HELBER GIOVANNI


2

DEDICATORIA

El presente trabajo lo dedico con mucho

cariño para mi querida madre Benedicta

Paucar, para agradecerle de todo corazón

por el constante apoyo leal e incondicional

hacia mi formación profesional y por sus

sabios y valiosos consejos.

A mi esposa Mónica, a mis hijas Angie y

Davnea las que amo mucho y gracias por

estar ahí en todo Momento apoyándome y en

especial a mi hijo Joshua que de ahora en

adelante será el motor de mis logros.


3

ANÁLISIS DE LA RECUPERACIÓN DEL PESTILLO DE COMPUERTADE


SOLDADURA SMAW

INTRODUCCIÓN

La soldadura es un medio de ensamble utilizado masivamente por industrias de

todo tipo: construcción, mantenimiento, reparación, etc. Los revestimientos

duros y la soldadura de mantenimiento prolongan la vida útil de las

maquinarias, al obtener altos rendimientos durante más tiempo y reducir el

número de fallas. La avanzada tecnología de soldadura de mantenimiento,

provee a las industrias, uno de los medios más eficaces para combatir la

reposición de piezas nuevas, alargando la vida útil de las diferentes piezas

utilizadas en la industria. De esta forma se optimiza la disponibilidad de la

maquinaria, se disminuye costos de reposición de piezas nuevas y se maximiza

la vida útil.

La soldadura que se aplican al mantenimiento industrial es para aumentar la

disponibilidad inmediata de repuestos y disminuir costosde reposición de

piezas nuevas. Con ello se logra un aumento en la disponibilidad de sistemas

críticos y se reduce drásticamente la compra de repuestos.

Son muchos los factores que pueden afectar una pieza o estructura metálica,

causando daños o deformaciones en estas, las cuales van en detrimento de las

propiedades del material y en la economía de las industrias. Entre estos

factores se pueden mencionar, el desgaste, la fatiga y la corrosión. El desgaste

es uno de los principales responsables por la mayor parte de deterioro y salida

de servicio de piezas mecánicas, mientras la corrosión es la responsable por el

deterioro de estructuras metálicas. Por otro lado, la fatiga causa daño cuando

la pieza o elemento mecánico sobrepasa el valor de los esfuerzos cíclicos

admisibles. Son varias las formas en que el hombre ha tratado de recuperar

piezas deterioradas.


4

Generalmente, hay una interacción de los diferentes mecanismos de desgaste

como erosión, cavitación y fatiga y en los que se puede tener fatiga, fractura

rápida, desgaste por abrasión y corrosión. Una vez que se ha determinado los

mecanismos de desgaste presentes en un equipo o componente, se recurre a

la ciencia de materiales para determinar qué metal de aporte permite prolongar

su duración en servicio. Efectuada la selección del metal de aporte, se debe

determinar el procedimiento con el cual se aplicará. La aplicación del metal de

aporte para prolongar la vida útil del componente mecánico ha sido común en

varias décadas, con diferentes técnicas de aplicación, que incluyen al proceso

SMAW.


5

“ANÁLISIS DE LA RECUPERACIÓN DEL PESTILLO DE COMPUERTA DE


SOLDADURA SMAW”

INDICE

PRESENTACION

DEDICATORIA

INTRODUCCIÓN

CAPITULO I - GENERALIDADES

1.1.- Antecedentes y Problemática 1

1.2.- Planteamiento del Problema 1

1.3.- Objetivo General 2

1.3.1.- Objetivos Específicos 2

1.4.- Justificación 2

1.5.- Palas Mecánicas 2

1.5.1.- Pala Mecánica 3

1.5.2.- Partes Básicas y Operación de una Pala: 4

1.5.3.- Rendimiento de Palas Mecánicas. 4

1.5.4.- Selección de una Pala Mecánica 6

1.5.5.- Tamaño de la Maquina 7

1.5.6.- Partes Básicas 7

1.5.7.- Mecanismo del Pestillo con Caja Pivote 10

1.5.8.- Mecanismo del Encaje del Pestillo 11

CAPITULO II - MATERIAL BASE Y EL PROCESO DE SOLDADURA DE

MANTENIMIENTO Y RECUPERACIÓN

2.1.- Definición Proceso de Soldadura de Mantenimiento y Recuperación 12

2.1.1.- Soldadura de Producción 12


6

2.1.2.- Soldadura de Mantenimiento 13

2.2.- Procesos de Soldadura 16

2.2.1.- Soldadura Eléctrica al Arco con Electrodo Revestido 16

2.2.1.1.- Definición 16

2.2.1.2.- Principios de Funcionamiento 17

2.2.1.3.- Equipos 18

2.2.1.4.- Tipos de revestimientos. 22

2.3.- Zonas en la soldadura 25

2.3.1.- Zona de fusión 25

2.3.2.- Zona HAZ 27

2.3.3.- Zona del metal base 27

2.4.-Tratamiento Térmico post soldeo 28

2.5.- Defectos de soldadura en la unión soldada 29

CAPITULO III -MODOS DE FALLA EN LOS METALES

3.1.- Modos de Falla 39

3.2.- Excesiva Deformación e Inestabilidad Elástica 40

3.3.- Excesiva Deformación Plástica 42

3.4.- Inestabilidad Plástica 43

3.5.- Fatiga 43

3.6.-Creep y Creep-Fatiga 45

3.7.- Fractura Rápida 45

3.8.- Corrosión, Erosión, Corrosión-Fatiga, Corrosión Bajo Tensiones, etc. 47

CAPITULO IV - PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4.1.- Soldadura con proceso SMAW 49

4.2.- Elaboración de especímenes y secuencia de ensayos 51

4.3.- Procedimiento de soldadura 55

4.4.- Calificación de Procedimientos y Soldadores 65

4.4.1.- Calificación de Procedimiento 66

4.4.2.- Calificación de Soldador 68


7

4.5.- Metalografía de la unión soldada 73

4.6.- Determinación de la Dureza 75

4.7.- Determinación del Ensayo de Tracción 78

4.8.- Determinación del Ensayo de Impacto 81

CAPITULO V - RESULTADOS DE ENSAYOS

5.1.- Resultado del análisis metalográfico 84

5.2.- Resultados de los Ensayos de Tracción 95

5.3.- Resultados de la medición de dureza 98

5.4.- Resultado del Ensayo Charpy 106

CAPITULO VI - EVALUACION ECONOMICA

6.1.- Consideraciones Generales 108

6.2.- Costos 108

6.2.1.- Costos Directos 108

6.3.- Costos en Soldadura por Metro Lineal 109

I.- Calculo del Peso del Depósito 109

II.- Cálculo del Metal de Aporte Neto Necesario 110

III.- Costo del Electrodo 110

IV.- Velocidad de Avance 110

V.- Velocidad del Depósito 111

VI.- Costo de Mano de Obra 111

VII.- Cálculo de Costo de Energía Eléctrica 112

VIII.- Costo del Pestillo de Compuerta de Cucharon de Pala Mecánica 112

IX.- Otros Costos 113

CONCLUSIONES

SUGERENCIAS

BIBLIOGRAFÍA

ANEXOS


1

CAPITULO I

GENERALIDADES

1.1. ANTECEDENTES Y PROBLEMÁTICA

El Pestillo de Compuerta es un accesorio que en la actualidad se importa,

muchas veces la demora provoca un desabastecimiento y se hace

necesario realizar soldadura de mantenimiento y recuperación de estas

piezas, teniendo experiencias con diferentes soldaduras del mercado

nacional que no han dado los resultados esperados, más aun provocando

pérdidas de horas-hombre y producción para la empresa.

1.2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

El mecanismo de descarga del Cucharón de Pala Mecánica 3800-4100 es

controlado por el Pestillo de Compuerta la cual al estar expuesta a

diferentes mecanismos de Falla ocasionando paradas de emergencia,

provocando paradas de producción, ocasiona que personal que tiene

labores asignadas las abandone para atender estas emergencias en

cualquier turno. Todo esto se traduce en pérdidas económicas, pérdida de


2

tiempo, parada de maquinaria y la necesidad de tener un stock

permanente en almacén para la empresa.

1.3. OBJETIVO GENERAL.

Recuperación del Pestillo de Compuerta por Proceso de Soldadura

SMAW.

1.3.1. OBJETIVOS ESPECÍFICOS:

1. Analizar el proceso de soldadura aplicado en la recuperación

del Pestillo de Compuerta.

2. Realizar los ensayos mecánicos y análisis metalográfico para

prolongar la vida útil del Pestillo de Compuerta, recuperados

mediante la aplicación de la soldadura SMAW.

1.4. JUSTIFICACIÓN.

La recuperación de piezas especiales en la industria minera es una labor

diaria para tratar de disminuir los costos y que a la vez se puede volver en

una actividad que aumenta los costos si la recuperación de piezas

metálicas es de baja calidad, o si el tiempo de vida útil no es la esperada.

1.5. PALAS MECÁNICAS.

Las palas de laminería, son maquinarias modernas de gran tamaño y

peso, cuyos baldes son capaces de mover entre 23 y 28 metros cúbicos,

es decir, entre 70 y 77 toneladas de mineral de una sola vez. Estas palas

son eléctricas y supotenciala obtienen conectándose al tendido de alta

tensión o a camiones generadores deelectricidad.

Las palas en general, constan de tres unidades principales: la maquinaria

inferior, el puente giratorio y el equipo frontal.


3

La maquinaria inferior sirve de base para el bastidor rotatorio y contiene el

equipo necesario para propulsar la pala.

El puente giratorio incluye, el bastidor rotatorio, el depósito de lastre y la

casa demáquinas, conteniendo esta última, toda la maquinaria necesaria

para las funciones de levante, giro y empuje, como asímismo, los

controles para comandar las operaciones mecánicas. La casa de

máquinas dispone además, de unsistemafiltrador deairepara reducir al

mínimo la acumulación decalory polvo en su interior. La cabina del

operador va montada en posición elevada sobre la casa de máquinas y

contiene todos los controles para operar la pala.

El equipo frontal, ubicado en la parte delantera de la pala, comprende el

caballete "A", el balde excavador, el brazo del balde, la pluma, los cables

móviles y los tirantes estructurales de la pluma.

Las palas electromecánicas tienen un funcionamiento bien característico.

Están compuestas de varias maquinarias o transmisiones mayores, donde

cada una de éstas se podría describir como una gran caja reductora, ya

que a través de una configuración de varios engranajes, reducen la

velocidad de giro que entrega unmotoreléctrico, para transmitir la potencia

a unos tambores que enrollan unos cables o a los ejes motrices para el

desplazamiento. Estas maquinarias mayores dan las funciones de

levante, giro, empuje y propulsión.

1.5.1. PALA MECANICA

La excavadora equipada como palamecánica, está diseñada

fundamentalmente para excavar un material con máxima dureza de

laclaseII-A, incluyendo también roca previamente fragmentada con

elempleode explosivos.

http://www.monografias.com/trabajos36/teoria-empleo/teoria-empleo.shtml


4

Según sea el tipo de trabajo a que fundamentalmente se destine la

máquina, el fabricante pueden suministrarla sobre el tipo de

montaje o sistema de propulsión más adecuados, los que

primordialmente se dividen en: montaje de propulsión sobre

orugas, montaje con autopropulsión sobre llantas neumáticas y

montaje sobre camión.

1.5.2. PARTES BASICAS Y OPERACION DE UNA PALA:

Las partes básicas de una pala mecánica incluyen el montaje, la

cabina o caseta, el aguilón, el brazo excavador, el cucharón y el

cable del malacate.

Este tipo de equipo trabaja atacando del nivel delsuelohacia arriba

o sea, con una pala en la posición correcta cercana a la superficie

vertical dela tierraque se va a excavar, se baja el cucharón hasta el

piso delbanco, apuntando los dientes sobre la pared. Se le aplica

unafuerzaa través de la flecha y al mismotiempouna tensión a la

línea del malacate, para jalar el cucharón hacia arriba de la pared

del banco. Si la profundidad del corte es la correcta, considerando

el tipo de suelo y el tamaño del cucharón, éste estará lleno al llegar

a la parte superior del banco.

1.5.3. RENDIMIENTO DE PALAS MECANICAS.

El rendimiento de una pala mecánica está afectado por numerosos

factores, entre los que destacan por su importancia los siguientes:

1. Clase de material

2. Profundidad de corte

3. Angulo de giro

4. Habilidad del operador

5. Condiciones de la obra


5

6. Mantenimientodel equipo

7. Tiempo de ciclo

Figura Nº 1.1.

Principales partes de la Pala Mecánica 3800-4100

Cabina Operador Cable de Izaje

Pluma

Brazo Excavador Lápiz

Cucharon o Balde

Sala de Maquinas

Orugas


6

Figura Nº 1.2.

Alcance de Pala Mecánica 3800-4100

1.5.4. SELECCION DE UNA PALA MECANICA

Para elegir una pala mecánica en necesario determinarel

trabajoque esta va a realizar y el tiempo que se espera para que el

trabajo este realizado, además es importante considerar los

siguientes puntos:

Tamaño del trabajo, entre más grande sea este, justifica una

maquina mayor.

El costode transportar una maquina grande es mayor que el de

una chica.

Ladepreciaciónde una pala grande es mayor a la de una chica

y al final de la obra es más fácil vender una chica.


7

Una pala grande tiene capacidad para manejar rocas de

mayores tamaños, por lo tanto, el costo por metro cubico y

loscostosde explosivos se reducen.

Las siguientes condiciones de trabajo deben ser consideradas:

Altura de los depósitos de material.

Tamaño máximo de las rocas a excavar.

Si el material es muy duro, funciona mejor una pala grande.

Si el tiempo que se tiene para la excavación es poco, es mejor

la pala grande.

Es importante conocer la disponibilidad de palas antes de

hacer una elección.

1.5.5. TAMAÑO DE LA MAQUINA

Este depende de la capacidad de su cucharón y se expresa en

yardas cubicas, entre más grande es el cucharón, la maquina

tendrá más capacidad para cargar material por razones lógicas.

1.5.6. PARTES BASICAS

Las partes básicas de la maquina son el cucharón, el brazo, y las

orugas o llantas en las que está montada.


8

Figura Nº 1.3.

Pala Mecánica 3800-4100 Mostrando su cucharon.

Figura Nº 1.4.

Nomenclatura del Cucharon de Pala Mecanica


9

Figura Nº 1.5.

Nomenclatura del Cucharon de Pala Mecanica

Partes de la Pala Mecánica

1. Punta y Adaptador 11.- Caja pivote

2. Labio 12.- Calzo

3. Protector de ala 13.- Palanca de pestillo

4. Protector de labio 14.- Eslabón de la palanca

5. Talón de labio 15.- Eslabón de puerta

6. Talón 16.- Trasera

7. Encaje de pestillo 17.- Conexiones

8. Puerta 18.- Pasadores de las conexiones

9. Brazo de puerta 19.- Porta cable de izar

10. Pestillo 20.- Pasador


10

1.5.7. MECANISMO DEL PESTILLO CON CAJA PIVOTE

Figura Nº 1.6.

Mecanismo del Pestillo con Caja Pivote

El mecanismo del pestillo de cucharones ya viene ajustado de

fábrica. El pestillo ya tiene el engaste entre ¾” y 1” (19 y 25 mm) en

el encaje. Un encaje del pestillo menos de ¾” ocasionara que la

puerta se abra y un encaje de 1” dificultara la apertura de la puerta.

Después de la instalación del cucharon en la excavadora se debe

ajustar la cadena o el cable de apertura de la puerta. La palanca

del pestillo se debe apoyar en la parte inferior del hueco del brazo o

guía de la palanca (en el punto de contacto) cuando el pestillo está

totalmente bloqueado en su encaje.

El mecanismo de apertura debe ser ajustado de modo que la

palanca no toque por detrás o arriba del hueco del brazo; pues si el

ajuste no está adecuado se dañara la palanca del pestillo o el

eslabón de la cadena o el cable de la apertura de puerta. Un buen

operador de excavadora sabe dosificar el golpe de modo que la

palanca o el hueco del brazo no se dañen.


11

1.5.8. MECANISMO DEL ENCAJE DEL PESTILLO

Para compensar el desgaste del pestillo, haga los siguientes

ajustes:

1. Eleve el pestillo de manera que las láminas de reglaje adentro

de la caja pivote se queden sueltas. Mantenga con un pasador

o tornillo la palanca del pestillo suspendida de la caja pivote.

2. Retire de la caja pivote el número de láminas necesarias para el

engaste deseado. Cada lamina que es retirada aumenta el

engaste del pestillo de aproximadamente ½” (12 mm).

Entretanto no retire la última lámina para evitar que la palanca

caiga afuera del pivote.

3. Los insertos existentes entre el pestillo y la puerta (vea la figura,

sección A-A) se desgastan y de tiempos en tiempos deben ser

inspeccionados. Cuando necesario deben ser reemplazados

para evitar que el pestillo deslice directamente contra la puerta

del cucharon. Se recomienda regularmente lubricar esos

insertos. La palanca del pestillo debe contactar la caja pivote

como muestra la figura.


12

CAPITULO II

MATERIAL BASE Y EL PROCESO DE SOLDADURA DE

MANTENIMIENTO Y RECUPERACIÓN

2.1 DEFINICIÓN PROCESO DE SOLDADURA DE MANTENIMIENTO Y

RECUPERACIÓN

Un aspecto importante que hay que tomar en cuenta, es la diferencia de

conceptos, entre soldadura de producción y soldadura de mantenimiento.

2.1.1 SOLDADURA DE PRODUCCIÓN

Es la soldadura que sirve para trabajos en serie y construcción de

obras soldadas, en la cual se conocen todas las variables que

intervienen en el proceso, como son: tipo de material base,

Proceso de soldadura, secuencia lógica de ejecución, amperaje,

tipo y diámetro del electrodo, etc.

La soldadura es una de las ciencias más documentadas a nivel de

la soldadura de producción, basta con referirse a los diferentes

códigos, especificaciones y estándares, para determinar estas


13

características y propiedades (llamadas variables esenciales,

complementarias y suplementarias), por tanto todas las variables

en la elaboración del producto, son conocidas. Ejemplo: normas

AWS, AISI, ASME, etc.

2.1.2 SOLDADURA DE MANTENIMIENTO

En este tipo de soldadura generalmente se “trabaja a ciegas”, ya

que, no se conoce con exactitud el metal base a soldar,

generalmente son piezas contaminadas por corrosión y/o

fracturadas y ningún caso es repetitivo, entonces el soldador de

mantenimiento se convierte en un “artista”, que debe tener un claro

conocimiento de los diferentes materiales de aporte, y las

recomendaciones técnicas de las casas fabricantes de dichos

materiales, esto no es un gran problema, pues el principio básico

de la soldadura indica que al momento de realizarla, se debe

buscar la homogeneidad, es decir, que tanto el material base como

el material de aporte deben tener la misma composición y

propiedades, por lo que es necesario una permanente capacitación

y actualización en sus conocimientos.

Una de las dificultades en la soldadura de mantenimiento se

presenta cuando se desconoce la naturaleza del material base,

para lo cual se debe recurrir a los análisis químicos y/o

espectrofotométricos.

Otra sería la diversidad de tipos y mecanismos de desgaste a que

están expuestos los materiales, lo cual deriva a la terología la

necesidad de aplicar aleaciones especiales y combinación de

procesos de superiores calidades para preservar e incluso mejorar

las propiedades de material base.


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Al ser la terología, la ciencia que tiene como objetivo, el de

minimizar los costos de mantenimiento, a través de la prolongación

de la vida útil de las partes y piezas, esto lleva a encontrar la causa

de deterioro de una determinada pieza y esto obliga a obtener la

mayor información posible sobre el tipo de trabajo y condiciones de

servicio de esta.

Para hacer el análisis detallado del problema se debe conocer:

a) Metal base: tipo, composición, características, tratamiento

térmico, etc.

b) Tipo de trabajo: esfuerzos a que está sometido, etc.

c) Tipos de medio ambiente: con que trabaja en contacto

(contaminantes)

d) Temperatura de trabajo: la cual influye en las propiedades

mecánicas del material.

e) Mecanismo de desgaste presente.

La Recuperación del pestillo de compuerta de cucharón de pala

mecánica es una de las tareas a realizar de la manera que la falla

no ocasione paradas prolongadas y seguidas. La recuperación del

pestillo mediante el proceso de soldadura debe permitir una mayor

prolongación de su vida útil, que se manifestara con una mayor

duración en el servicio de las muestras recuperadas.


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Figura N° 2.1.

Pestillo de compuerta de cucharón de pala mecánica

Figura N° 2.2(A)

Ubicación del Pestillo de compuerta de cucharón de pala

mecánica


16

Figura N° 2.2 (B)

Ubicación del Pestillo de compuerta de cucharón de pala

mecánica

2.2 PROCESOS DE SOLDADURA

La soldadura es un proceso para la unión de dos metales por medio de

calor y/o presión y se define como unión de dos o más piezas de metal

por aplicación de calor, presión, o una combinación de ambos, con o sin

aporte de otro metal, llamado metal de aporte, cuya temperatura de fusión

es inferior a la de las piezas que han de soldarse.

2.2.1 SOLDADURA ELÉCTRICA AL ARCO CON ELECTRODO

REVESTIDO

2.2.1.1. Definición

La soldadura por arco de metal protegido (shielded metal

arcwelding, SMAW), es un proceso de soldadura por arco en el que


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se produce coalescencia de metales por medio del calor de un arco

eléctrico que se mantiene entre la punta de un electrodo cubierto y

la superficie del metal base en la unión que se está soldando.

El núcleo del electrodo cubierto consiste en una varilla de metal

sólido con recubrimiento relativamente grueso, que protege el

metal fundido de la atmósfera; mejora las propiedades del metal de

soldadura y estabiliza el arco eléctrico. La varilla del núcleo

conduce la corriente eléctrica al arco y suministra el metal de

aporte a la unión. Las funciones principales de la cobertura del

electrodo son estabilizar el arco y proteger el metal derretido de la

atmósfera por medio de los gases que se crean cuando el

recubrimiento se descompone por el calor del arco.

2.2.1.2. Principios de Funcionamiento

La soldadura por arco de metal protegido es por mucho el más

ampliamente utilizado de los procesos de soldadura por arco.

Aprovecha el calor del arco para derretir el metal base y la punta de

un electrodo consumible cubierto. El electrodo y el trabajo forman

parte de un circuito eléctrico. Fig. Nº 2.3.

Figura Nº 2.3.

Circuito Eléctrico Proceso SMAW


18

Este circuito comienza con la fuente de potencia eléctrica e incluye

los cables de soldadura, un porta electrodos, una conexión con la

pieza de trabajo, la pieza de trabajo y un electrodo de soldadura

por arco. Uno de los dos cables de la fuente de potencia se

conecta al trabajo; el otro se conecta al porta electrodos.

El inicio del arco se produce cuando la punta del electrodo toca el

metal base, provocando un corto circuito que da lugar al paso de la

corriente eléctrica, luego, se eleva el electrodo separándolo del

metal base un par de milímetros permitiendo de ese modo la

formación del arco eléctrico. Debido a la pequeña superficie por la

cual atraviesa la corriente eléctrica, hace que la temperatura, por

efecto joule, se eleve rápidamente en esa zona, generando una

emisión termoiónica que ioniza el arco. Los electrones

desprendidos como consecuencia de la ionización, son

incorporados al flujo de la corriente eléctrica dándole al arco una

mayor estabilidad.

Una vez establecido el arco eléctrico, el calor generado por el

mismo produce la fusión tanto del metal base, como del extremo

del electrodo. A medida que se va consumiendo el electrodo se

avanza con el mismo depositando el metal fundido sobre la

superficie de la pieza, una vez solidificado el metal depositado,

forma el cordón de soldadura.

2.2.1.3. Equipos

Dentro del campo de la soldadura industrial, la soldadura eléctrica

manual al arco con electrodo revestido es la más utilizada. Para

ello se emplean máquinas eléctricas de soldadura que básicamente

consisten en transformadores que permiten modificar la corriente

de la red de distribución, en una corriente tanto alterna como


19

continua de tensión más baja, ajustando la intensidad necesaria

según las características del trabajo a efectuar.

Máquinas de soldar con arco

Para lograr buenas soldaduras con electricidad, se necesita una

máquina que controle la intensidad de la electricidad, aumente o

disminuya la potencia según se requiera y que sea segura para

manejarla. Hay cuatro tipos principales de máquina utilizadas en la

soldadura con arco:

1. Transformador: Máquina de AC (corriente alterna)

2. Motogenerador: Maquina de DC (corriente continua)

3. Transformador – Rectificador: Máquina de AC y DC (una

combinación de las dos)

4. Inversor: Máquina de AC

Máquinas de corriente alterna

Las máquinas de corriente alterna (AC) se llaman transformadores.

Transforman la corriente de la línea de alimentación (que es de alto

voltaje y de bajo amperaje) en una corriente útil, pero segura para

soldar (que es de bajo voltaje y alto amperaje). Esto se efectúa

dentro de la máquina con un sistema de un devanado primario, uno

secundario y un reactor movible.

Máquinas de corriente continúa

Las máquinas de DC se clasifican en dos tipos básicos: generador

y rectificador. En un generador de DC, la corriente se produce por

la rotación de una armadura (inducido) dentro de un campo

eléctrico. Esta corriente alterna generada la captan una serie de

escobillas de carbón y un conmutador o colector y la convierten en


20

corriente continua. Los rectificadores básicos son transformadores

de AC a los que se ha agregado un rectificador. La corriente alterna

que suministra el transformador se envía al rectificador que la

convierte o rectifica a corriente continua.

Máquinas de AC y DC

Las máquinas de AC y DC suministran corriente alterna o continua.

Fig. Nº 2.4.

Figura Nº 2.4.

Máquina soldadora (AC, DC)

Inversores (inverter)

Es una fuente de energía de soldadura por arco que opera a muy

altas frecuencias y que es mucho más economizadora de energía

que las máquinas de transformador.

Electrodos revestidos

Un electrodo revestido está constituido por un alma metálica

generalmente de forma cilíndrica, y de un revestimiento de

composición química muy variable, según las características

exigidas. Fig. Nº 2.5.


21

La composición de los revestimientos es muy compleja; son mezcla

de materiales orgánicos y minerales de modo que cada substancia

juega una función determinada, ya sea durante la fusión o durante

la solidificación.

Actuando como estabilizador del arco, componentes de la escoria,

depuradores del metal, portadores de elementos útiles al metal

fundido, etc.

Figura Nº 2.5.

Gráfico de un electrodo revestido

El revestimiento es un material que está compuesto por distintas

sustancias químicas. Tiene las siguientes funciones:

a) Dirige el arco conduciendo a una fusión equilibrada y uniforme.

b) Crea gases que actúan como protección evitando el acceso del

Oxígeno y el Nitrógeno.

c) Produce una escoria que cubre el metal de aporte, evitando el

enfriamiento brusco y también el contacto del Oxígeno y del

Nitrógeno.

d) Contiene determinados elementos para obtener una buena

fusión con los distintos tipos de materiales.

e) Aporta al baño de fusión elementos químicos que darán al

metal depositado las distintas características para las cuáles

fue formulado


22

f) Estabiliza el arco eléctrico.

2.2.1.4. Tipos de revestimientos.

1. Electrodos celulósicos.

Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-

6010 (Na) y AWS-E-6011 (K).

Características específicas.

En estos electrodos la celulosa, obtenida a partir de la pulpa de la

madera, es el componente principal. Esta sustancia orgánica se

descompone por el calor desarrollado en el arco, proporcionando

un gas protector que aísla y protege de la oxidación al Mn y al resto

de los componentes. Las reacciones de reducción se desarrollan

en una atmósfera de hidrógeno que cubre el metal fundido.

2. Electrodos de rutilo.


6012 (Na) y AWS-E-6013 (K).


El principal componente de estos electrodos es el rutilo, mineral

obtenido a partir de menas que en su estado natural contienen de

un 88-94% de TiO2. También puede extraerse de la ilemita, mineral

compuesto por un 45-55% de TiO2 y el resto de Fe2O3. La

protección en estos electrodos la proporciona la escoria.

3. Electrodos básicos.


23


7015 (Na) poco frecuentes y AWS-E-7016 (K) muy utilizados


Los componentes principales son el carburo cálcico y el fluoruro

cálcico. El revestimiento, que no contiene celulosa ni arcilla,

proporciona un gas protectora base de CO2 procedente del mármol

y del fluoruro de silicio formado a partir de la fluorita e espato flúor,

en reacción con el SiO2. Funden a temperaturas muy elevadas

(aprox. 2.000°C), razón por la cual necesitan un fundente en su

composición, como el espato flúor.

Composición del revestimiento.

La composición de los revestimientos suele ser muy compleja. Se

trata generalmente de una serie de sustancias orgánicas y

minerales. En la fabricación de la pasta para el revestimiento

suelen intervenir:

Óxidos naturales: óxidos de hierro, ilemita (50% óxido férrico y

50% oxido de titanio), rutilo (óxido de titanio), sílice (óxido de

silicio).

Silicatos naturales: caolín, talco, mica, feldespato.

Productos volátiles: celulosa, serrín.

Fundentes

Productos químicos: carbonatos, óxidos.

Ferroaleaciones: de Mn, Si, Ti.

Aglomerantes: silicato sódico, silicato potásico.

Norma AWS A5.1


24

La especificación AWS A5.1. La cual se refiere a los electrodos

para soldadura de aceros al carbono, trabaja con la siguiente

designación para electrodos revestidos:

E XXYY 1 HZR

Donde:

E: Indica electrodo para soldadura por arco, el cual por

definición conduce la corriente por arco.

XX: Dos dígitos que designan la mínima resistencia a la tensión

del metal depositado, en Ksi.

YY: Dos dígitos que designan las posiciones de soldadura en

que puede trabajar el electrodo, el tipo de revestimiento y el

tipo de corriente adecuado para el electrodo. El primer dígito

indica la posición (1=todas, 2=plana y horizontal, 4 todas

pero especialmente para vertical descendente), la

combinación de los dos dígitos indica las otras

características.

Los designadores después del guion son opcionales:

1: Designa que el electrodo (E 7016, E 7018 o E 7024) cumple

con los requisitos de impacto mejorados E y de ductilidad

mejorada en el caso E 7024.

HZ: Indica que el electrodo cumple con los requisitos de la

prueba de hidrógeno difusible para niveles de "Z" de 4.8 o 16

ml de H2 por 100gr de metal depositado (solo para

electrodos de bajo hidrógeno).

R: Indica que el electrodo cumple los requisitos de la prueba de

absorción de humedad a 80°F y 80% de humedad relativa

(solo para electrodos de bajo hidrógeno).


25

2.3. ZONAS EN LA SOLDADURA

En soldadura a medida que la fuente de calor interactúa con el material la

severidad del ciclo térmico que experimental el material varía de zona en

zona, pudiendo identificarse tres regiones principales en la soldadura.

Estas son la zona fundida (ZF), la zona afectada por el calor (ZAC) y el

metal base (MB) no afectado por la presencia de la fuente de calor. La

zona fundida (ZF) es la que experimenta la fusión y posterior

solidificación. Fig. Nº 2.6.

2.3.1. ZONA DE FUSIÓN

La zona de fusión consiste en una mezcla de metal de aporte y de

metal base que se ha fundido por completo. Esta zona se

caracteriza por un alto grado de homogeneidad entre los metales

componentes que se han fundido durante la soldadura. El motivo

principal por el que se mezclan estos componentes es la

convección que se suscita en el pozo de soldadura fundida. La

solidificación en la zona de fusión se asemeja a un proceso de

fundición. En la soldadura el molde se forma por medio de los

bordes o superficies no fundidos de los componentes que se están

soldando. La diferencia significativa entre la solidificación en

fundición y la soldadura es que en esta última ocurre un

crecimiento de grano epitaxial. El lector debe recordar que durante

la fundición se forman granos metálicos a partir de la fusión,

mediante la enucleación de partículas sólidas en la pared de fusión,

seguida por el crecimiento del grano. En contraste, en el proceso

de soldadura se evita la etapa de nucleación a través del


26

mecanismo de crecimiento de grano epitaxial, en el cual los átomos

del pozo fundido se solidifican sobre los sitios reticulares

preexistentes de la base metálica sólida adyacente. En

consecuencia, la estructura del grano en el área de fusión cerca de

la zona afectada por calor tiende a imitar la orientación

cristalográfica de la zona afectada por calor circundante. Más hacia

el centro de la zona de fusión se desarrolla una orientación

preferencial, en la cual los granos están aproximadamente

perpendiculares a los límites de interfase de la soldadura. La

estructura resultante en la zona de fusión solidificada tiende a

presentar granos columnares burdos, como lo muestra la Fig. Nº

2.6 (b). La estructura del grano depende de varios factores que

incluyen el proceso de soldadura, los metales que se sueldan (por

ejemplo, metales idénticos contra metales diferentes), si se utiliza

un metal de aporte y la velocidad de alimentación a la que se

obtiene la soldadura.


27

Figura N° 2.6 (a), (b)

Sección transversal de una junta soldada por fusión.

2.3.2. ZONA HAZ

HAZ (HeatAffectedZone): porción de material base que no ha

fundido durante la soldadura pero cuyas propiedades mecánicas o

su microestructura han sido alteradas por el calor

Figura Nº 2.7.

Zona HAZ

Granos gruesos en la ZAC lejos

de la interface de soldadura.

Granos más finos en la ZAC lejos

de la interface de la soldadura.

Granos trabajados en frio

originales


28

2.3.3. ZONA DEL METAL BASE

Es la zona que experimenta un calentamiento sin modificaciones

de sus características iniciales.

Figura Nº 2.8.

Zonas en la soldadura

2.4. TRATAMIENTO TÉRMICO POST SOLDEO

Determinar el Tratamiento Térmico que se va a aplicar para modificar la

microestructura, y por tanto, las propiedades de los materiales.

El tratamiento térmico posterior en las uniones soldadas consiste en

calentar la pieza con determinada velocidad de calentamiento hasta una

temperatura adecuada, luego mantener esta temperatura durante un

tiempo y luego enfriarla con una velocidad de enfriamiento requerida,

como se muestra en la Fig. Nº 2.9.

Los objetivos del tratamiento térmico posterior al proceso de soldeo,

consiste en reducir al máximo las tensiones residuales existentes en la

unión soldada o también producir cambios en la estructura metalúrgica,

entre algunos de ellos tenemos: mejorar la resistencia a la fatiga, a la

fractura frágil, solución de fases específicas, entre otros.


29

Figura Nº 2.9.

Esquema de un tratamiento térmico típico.

El tratamiento térmico posterior aplicado al proceso de soldadura es tan

importante como lo son: el proyecto de unión soldada y el proceso de

soldadura determinado. Para eliminar tensiones internas producidas por

trabajos a altas temperaturas, como soldadura, las aleaciones se someten

a recocido. En la determinación del tratamiento se precisa: temperatura,

tiempo de permanencia, velocidad de enfriamiento.

2.5. DEFECTOS DE SOLDADURA EN LA UNIÓN SOLDADA

Una de las partes más importantes del trabajo del inspector de soldadura

es la evaluación de soldaduras para determinar su comportamiento para

el servicio proyectado.

Una discontinuidad es descripta como una interrupción en la naturaleza

uniforme de un material. Un defecto es una discontinuidad específica que

puede comprometer el comportamiento de la estructura para el propósito

que fue diseñada. En soldadura, los tipos de discontinuidades que nos

preocupan son cosas como: fisuras, poros, falta de fusión, socavación,

etc.

En general las discontinuidades más comunes encontradas durante las

actividades normales de inspección son:


30

Fisura.- Es la discontinuidad más crítica. La criticidad es debida a las

fisuras caracterizadas como lineales, como también a las que

muestran condiciones de extremo muy filosas. Dado que los extremos

de las fisuras son muy afilados, hay una tendencia de la fisura a

crecer, o a propagarse, si es aplicada una tensión.

Figura Nº2.10.

Fisura longitudinal

Figura Nº2.11.

Fisuras transversales

Falta de fusión.- Falta de fusión es “una discontinuidad de la

soldadura en la cual la fusión no ocurre entre el metal de soldadura u

las caras de fusión o los cordones adyacentes”. Esto es, la fusión es

menor a la especificada para una soldadura en particular. Debido a su

linealidad y a su condición de extremo filosa, la falta de fusión

representa una discontinuidad de la soldadura importante.


31

Figura Nº 2.12.

Falta de fusión en la superficie de la soldadura

Figura Nº 2.13.

Falta de fusión entre el metal de soldadura y el metal base

Falta de penetración.- La falta de penetración, a diferencia de la falta

de fusión, es una discontinuidad asociada solamente con la soldadura

con bisel. Es una condición donde el metal de soldadura no se

extiende completamente a través del espesor de la junta cuando es


32

requerida junta con penetración total por una especificación. Su

ubicación es siempre adyacente a la raíz de la soldadura.

Figura Nº 2.14.

Junta con falta de penetración

Inclusión.- La definición de inclusión es “un material sólido y extraño,

atrapado; como por ejemplo, escoria, fundente, tungsteno u óxido”.

Por ello, el término inclusión puede incluir tanto materiales metálicos

como no metálicos.

Figura Nº 2.15.

Inclusiones de escoria superficiales


33

Inclusión de escoria.- Las inclusiones de escoria, como su nombre lo

indica, son regiones adentro de la sección de la soldadura o sobre al

superficie de la soldadura donde el fundente fundido empleado para

proteger al metal fundido está atrapado dentro del metal solidificado.

Este fundente solidificado, o escoria, representa la parte de la sección

de soldadura donde el metal no se fundió a sí mismo. Esto puede

resultar en una condición de debilidad que podría impedir el

desempeño en servicio del componente.

De hecho, las inclusiones de escoria son generalmente asociadas con

falta de fusión. Las inclusiones de escoria pueden solamente ocurrir

cuando el proceso de soldadura usa alguna clase de fundente de

protección.

Inclusión de tungsteno.- Las inclusiones de tungsteno están

generalmente asociadas al proceso GTAW, que emplea electrodos de

tungsteno para generar el arco. Si el electrodo de tungsteno hace

contacto con la pileta líquida, el arco puede extinguirse y el metal

fundido puede solidificar alrededor de la punta del electrodo. Hasta

que se remueva, la punta del electrodo va a estar muy quebradiza y

va a ser “incluida” en la soldadura si no es removida mediante un

amolado.

Las inclusiones de tungsteno pueden también ocurrir cuando la

corriente usada para el proceso GTAW es excesiva de aquella

recomendada para un diámetro particular de electrodo.

Otros motivos para que ocurran inclusiones de tungsteno pueden ser:

1. Contacto del metal de aporte con la punta caliente del electrodo;

2. Contaminación de la punta del electrodo con salpicaduras;

3. Extensión de los electrodos más allá de sus distancias normales,

resultando en un sobrecalentamiento del electrodo;


34

4. Ajuste inadecuado del culote;

5. Flujo inadecuado del gas de protección o turbulencias excesivas

que provocan la oxidación de la punta del electrodo;

6. Uso de un gas de protección inadecuado

7. Defectos en el electrodo como fisuras;

8. Uso de una corriente excesiva para el tamaño de electrodo dado

9. Mal amolado del electrodo;

10. Uso de un electrodo demasiado pequeño.

Porosidad.- Se define como “una tipo de discontinuidad que forma una

cavidad provocada por gases que quedan ocluidos durante la

soldadura”. Por eso, nosotros podemos pensar que la porosidad es

como un vacío o una bolsa de gas adentro del metal de soldadura

solidificado. Debido a su forma característicamente esférica, la

porosidad normal es considerada como la menos dañina de las

discontinuidades.

Figura Nº 2.16.

Poros distribuidos uniformemente


35

Figura Nº 2.17.

Poros superficiales alineados unidos por una fisura

Figura Nº 2.18.

Poros superficiales aislados

Socavación.- Una socavación es una discontinuidad superficial que

sucede en el metal base adyacente a la soldadura. Es una condición en

la cual el metal base ha sido fundido durante el proceso de soldadura y

no hubo una cantidad suficiente de material de aporte para llenar la

depresión resultante. El resultado es un agujero alargado en el metal

base que puede tener una configuración relativamente filosa. Dado que

es una condición superficial, es particularmente dañina para todas

aquellas estructuras que vayan a estar sometidas a cargas de fatiga.


36

Figura Nº 2.19.

Apariencia típica de una socavación en soldaduras con bisel y de

filete

Figura Nº 2.20.

Socavación adyacente a una soldadura de filete

Solapado.- Es otra discontinuidad superficial que puede ocurrir por

emplear técnicas inadecuadas de soldadura. Solapado es descripta

como la protrusión del metal de soldadura por delante del talón o de la

raíz de la soldadura. Aparece cuando el metal soldado inunda la junta y

yace en la superficie del metal base adyacente. Debido a su apariencia

característica, el solapado es conocido como enrollado

Figura Nº 2.21.


37

Solapado en una soldadura de filete (también se muestra

socavación)

Convexidad.- Esta discontinuidad particular de la soldadura se aplica

solamente a las soldaduras de filete. La convexidad se refiere a la

cantidad de metal de soldadura recargado sobre la superficie de

soldadura de filete más allá de lo que consideramos plano. Por

definición, es la máxima distancia desde la superficie de una soldadura

de filete convexa perpendicular a una línea que une los talones de la

soldadura.

Figura Nº 2.22.

Convexidad en soldadura de filete

Sobreespesor de soldadura.- El sobreespesor de soldadura es

descripto como un metal de soldadura en exceso de la cantidad

requerida para llenar una junta. Los otros dos términos, sobreespesor de

raíz y sobreespesor, son términos específicos que describen la

presencia de este refuerzo en un lugar particular de la junta soldada.


38

Figura Nº 2.23.

Sobreespesor y sobreespesor de raíz

Corte de arco.- La presencia de un corte de arco puede ser una

discontinuidad del metal base muy perjudicial, especialmente en las

aleaciones de alta resistencia y en las de baja aleación. Los corte de

arco son generados cuando el arco es iniciado sobre la superficie del

metal base fuera de la junta soldadura, ya sea intencionalmente o

accidentalmente. Cuando esto ocurre, hay un área localizada de la

superficie del metal base que es fundida y enfriada rápidamente debida

a la pérdida de calor a través del metal base circundante. Una gran

cantidad de fallas en estructuras y recipientes a presión pueden ser

adjudicadas a la presencia de cortes de arco de soldadura, que

provocaron una zona de iniciación de fisura que terminó en una rotura

catastrófica.

Figura Nº 2.24.


39

Fotomicrografía de una estructura martensítica producida por un

corte de arco

Salpicaduras.- Partículas de metal expelidas durante la fusión de la

soldadura de manera de no formar parte de la soldadura. Nosotros

generalmente las pensamos como aquellas partículas que están

pegadas al metal base adyacente a la soldadura. De todos modos, las

partículas que son tiradas afuera de la soldadura y el metal base son

también consideradas salpicaduras.

Figura Nº 2.25.

Fisura formada en una salpicadura en la superficie del metal base


39

CAPITULO III

MODOS DE FALLA EN LOS METALES

3.1. MODOS DE FALLA

Llamamos modo de falla al fenómeno o mecanismo responsable del

evento o condición de falla. En este sentido, los modos de falla que en

general pueden afectar a un componente estructural son:

Inestabilidad elástica (pandeo local o generalizado)

Excesiva deformación elástica

Excesiva deformación plástica (fluencia generalizada)

Inestabilidad plástica (estricción, pandeo plástico)

Fatiga de alto ciclo y bajo ciclo

Creep y creep-fatiga

Fractura rápida (frágil, dúctil, mixta)

Corrosión, erosión, corrosión-fatiga, corrosión bajo tensiones, etc.

Los cuatro primeros modos de falla pueden ser atribuidos

fundamentalmente a falencias en el diseño del elemento estructural

(excepto en el caso en que la falla se produzca como consecuencia de


40

una carga superior a las máximas previstas en el diseño). Los cuatro

últimos términos, pueden ser causados por un diseño incorrecto, también

obedecen muchas veces a factores introducidos durante las etapas de

fabricación del elemento. En particular los problemas de fatiga, corrosión

y fractura rápida suelen estar estrechamente relacionados con las

operaciones de soldadura que se hayan utilizado.

Debe tenerse en cuenta que:

Los componentes estructurales en general y los fabricados por soldadura

en particular pueden experimentar fallas en servicio de distintos tipos.

A veces estas fallas en servicio adquieren características catastróficas.

La presencia de defectos en las uniones soldadas son muchas veces la

razón de que se produzca una falla en servicio.

La naturaleza de la discontinuidad que corresponde al defecto, determina

en general para condiciones de servicio dadas, el tipo de falla que puede

favorecer.

A veces las fallas en servicio no obedecen a falencias de diseño sino a

factores extrínsecos introducidos durante la fabricación del componente,

particularmente a través de las operaciones de soldadura.

3.2. EXCESIVA DEFORMACIÓN E INESTABILIDAD ELÁSTICA

El modo de falla por excesiva deformación elástica se produce cada vez

que una pieza que debe mantener sus dimensiones dentro de ciertos

límites, sufre una deformación elástica que hace que aquellas excedan el

valor admisible, conduciendo a problemas de interferencia tales como

atascamiento o a deflexiones excesivas. En el caso de uniones soldadas,

la recuperación elástica que sigue a la liberación de una pieza


41

inmovilizada durante la soldadura, puede conducir a cambios

dimensionales o distorsiones inadmisibles.

La forma más común del modo de falla por inestabilidad elástica es la

constituida por el fenómeno de pandeo Fig. Nº 3.1.

Figura N° 3.1.

Pandeo

Este se produce cuando un elemento estructural esbelto tal como una

columna es sometido a una carga de compresión suficientemente alta

según su eje longitudinal. Puede demostrarse que existe una carga que

depende del momento de inercia de la sección resistente, del módulo

elástico del material, y de la forma de sujeción del elemento, por encima

de la cual las deflexiones laterales crecen sin límite conduciendo a la

destrucción del componente. El fenómeno de pandeo puede adoptar una

forma global, es decir afectar a todo el componente como en el caso de

una columna, o ser local afectando sólo una parte de la estructura como

ocurriría en el caso de una fabricación con paneles en compresión donde

sólo alguno de tales paneles sufre pandeo. La presencia de una

soldadura puede afectar de manera significativa la resistencia al pandeo


42

de un elemento estructural debido a la introducción de tensiones

residuales.

3.3. EXCESIVA DEFORMACIÓN PLÁSTICA

La excesiva deformación plástica constituye sin duda el modo de falla

mejor comprendido en un componente estructural, y es la base del diseño

clásico de componentes estructurales. En efecto, dicho diseño tiene como

objetivo fundamental establecer las dimensiones de las secciones

resistentes necesarias para asegurar un comportamiento elástico de las

mismas. Esto significa en teoría que en ningún punto de una sección

resistente se alcance una condición de fluencia, es decir de deformación

plástica. Sin embargo, en las estructuras reales, y muy particularmente en

las estructuras soldadas, la presencia de concentradores de tensión más

o menos severos es inevitable y por lo tanto también lo es la existencia de

zonas plastificadas en el vértice detales concentradores. De todos modos,

en la medida que el tamaño de tales zonas plásticas sea pequeño en

relación con las dimensiones características de la sección resistente,

puede considerarse que la sección se comportará de manera elástica. En

cambio, si por un incremento en las cargas las zonas plásticas se

propagan hasta alcanzar una fracción significativa de la sección, nos

encontramos ante una falla por excesiva deformación plástica.

Figura N° 3.2.

Excesiva Deformación Plástica


43

3.4. INESTABILIDAD PLÁSTICA

Un material que ha alcanzado la condición plástica puede inestabilizarse y

conducir rápidamente a un colapso plástico. Un ejemplo conocido de este

fenómeno es la estricción que precede a la rotura en el ensayo de

tracción de un material dúctil. Fig. Nº 3.3.

Figura Nº 3.3.

Inestabilidad plástica

La inestabilidad plástica puede ser responsable en otros casos de la

propagación rápida de una fisura, dando así origen a un fenómeno de

fractura dúctil rápida. Muchas fallas catastróficas fueron atribuidas a

fracturas frágiles y tuvieron su origen como inestabilidades dúctiles.

3.5. FATIGA

El fenómeno de fatiga es considerado responsable de mayoría de fallas

porrotura de uniones soldadas y precede muchas veces a la fractura

rápida. Una discontinuidad que actúa como concentrador de tensiones

puede iniciar bajo cargas cíclicas una fisura por fatiga que puede

propagarse lentamente hasta alcanzar un tamaño crítico a partir del cual

crece de manera rápida pudiendo conducir al colapso casi instantáneo de

la estructura afectada. La condición superficial y la naturaleza del medio


44

cumplen un rol importante sobre la resistencia a la fatiga, esto es sobre el

número de ciclos necesarios para que aparezca la fisura.

La influencia que las discontinuidades geométricas tienen sobre la

resistencia a la fatiga de las uniones soldadas bajo régimen de cargas

variables es un hecho ampliamente reconocido aquí se muestra la

superficie de fractura de un eje en el que se inició una fisura por fatiga a

partir del concentrador de tensiones representado por el alojamiento de la

chaveta. Fig. Nº 3.4.

Figura Nº 3.4.

Fisura por fatiga

Una vez iniciada la fisura, la misma continuó creciendo progresivamente

por fatiga bajo los sucesivos ciclos de carga hasta que la sección resultó

incapaz de soportar la carga lo que condujo a la rotura final del eje. Las

sucesivas posiciones de la fisura durante su crecimiento lento pueden

observarse en las marcas denominadas “líneas de playa” que son una

característica macroscópica frecuente de las superficies de fractura por

fatiga.

El talón de una soldadura, sea ésta a tope o a filete, es el asiento de las

discontinuidades que en general son los factores limitantes de la vida a la


45

fatiga de uniones soldadas solicitadas transversalmente al cordón de

soldadura.

3.6. CREEP Y CREEP-FATIGA

Las deformaciones elásticas y plásticas que sufre un material se suelen

idealizar asumiendo que las mismas se producen de manera instantánea

al aplicarse la fuerza que las origina. La deformación que puede

desarrollarse posteriormente en algunas situaciones y que progresa en

general con el tiempo, se conoce con el nombre de creep.

Para los materiales metálicos y los cerámicos, la deformación por creep

se torna significativa por encima del rango de temperaturas 0.3/0.6 Tf,

donde Tf,es la temperatura absoluta de fusión del material. Por el

contrario, para los vidrios y polímeros la temperatura a la cual los

fenómenos de creep se tornan importantes se encuentra alrededor de la

temperatura Tg de transición vítrea del material. De manera que mientras

los metales en general no sufrirán efectos de creep a temperatura

ambiente, muchos vidrios y polímeros lo harán.

En general, las aleaciones metálicas empleadas contienen elementos

tales como Cr, Ni, y Co en distintas proporciones según las características

específicas buscadas. El fenómeno de creep puede conducir a excesivas

deformaciones plásticas o culminar en la rotura de un elemento

estructural.

Cuando el fenómeno de creep se combina con el de fatiga, se tiene una

situación conocida como creep-fatiga.

3.7. FRACTURA RÁPIDA

Se puede definir la fractura como la culminación del proceso de

deformación plástica. En general se manifiesta como la separación o


46

fragmentación de un cuerpo sólido en dos o más partes bajo la acción de

un estado de cargas.

Algunos metales sometidos a un ensayo de tracción presentarán una

estricción en la zona central de la probeta para romper finalmente con

valores de reducción de área que pueden llegar en algunos casos al

100%. Este tipo de fractura se denomina dúctil y es característica de

materiales del sistema cubico de caras centradas (fcc) en estado de alta

pureza. Por el contrario, muchos sólidos, particularmente metales cúbicos

de cuerpo centrado (bcc) y cristales iónicos, presentan fracturas

precedidas por cantidades muy pequeñas de deformación plástica, con

una fisura propagándose rápidamente a lo largo de planos cristalográficos

bien definidos, llamados planos de clivaje, que poseen baja energía

superficial. Este tipo de fractura se denomina frágil.

La fractura rápida constituye el modo de falla más catastrófico y letal de

todos los mencionados. La misma se produce en general bajo cargas

normales de servicio, muchas veces inferiores a las de diseño. Por tal

motivo, la fractura rápida no es precedida por deformaciones

macroscópicas que permitan tomar medidas para evitarla o para reducir la

gravedad de sus consecuencias. Una vez iniciada, pocas veces se

detiene antes de producir la rotura completa del componente.

Las características que adopta en general la falla por fractura rápida, son

las siguientes:

a) La falla se produce de manera totalmente sorpresiva y progresa a

muy alta velocidad, típicamente entre algunos centenares y algunos

miles de metros por segundo. Como se ha mencionado.

b) La falla suele ocurrir cuando el componente está sometido a

tensiones compatibles con las de diseño, y muchas veces inferiores a

la máxima prevista.


47

c) El origen de la falla se debe muchas veces a factores ajenos al

diseño que son introducidos durante fabricación, muy particularmente

a través de las operaciones de soldadura, no siendo detectados

como factores potenciales de riesgo por los responsables de la

construcción e inspección del componente.

3.8. CORROSIÓN, EROSIÓN, CORROSIÓN-FATIGA, CORROSIÓN BAJO

TENSIONES, ETC.

Es la fisuración producida por corrosión bajo tensión de tracción. Cuando

hay fisuras por corrosión bajo tensión (SCC) el resto de la superficie no

aparece afectada y aparecen fisuras finas que van creciendo. Las

tensiones necesarias para falla por SCC son del orden de las de diseño.

La apariencia de las fisuras es como si fuera fractura frágil, puede ser

entre granos o ir por dentro de granos.

Las deformaciones no aumentan significativamente durante el proceso de

fisuración, pero llega un tiempo de exposición al agente corrosivo en el

que suben (similar a una fisuración) y se rompe el material.

Los mecanismos de SCC no se conocen muy bien, debido a la

complejidad del acoplamiento del metal, la interface y el ambiente. La

información más confiable es la empírica. La corrosión juega un papel

muy importante en e inicio de una fisura.

Corrosión con fatiga

La fatiga con corrosión es la reducción de la resistencia a fatiga debido a

la presencia de un medio corrosivo. La presencia de óxido en la superficie

no garantiza que la falla sea debida a la fatiga con corrosión, puede ser

fatiga simple.


48

La resistencia a fatiga se reduce por el agente corrosivo porque los

pequeños agujeros de corrosión producen concentración de tensiones. La

falla transgranular (por dentro de granos) y no se muestran las

ramificaciones que son características de fisuras que progresan entre

bordes de granos del material.

Las etapas finales de fatiga con corrosión son iguales a las de fatiga

porque ese proceso es mecánico y no incide el agente corrosivo.


49

CAPITULO IV

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

4.1. SOLDADURA CON PROCESO SMAW.

El objetivo de este trabajo fue analizar el proceso de soldadura aplicado

en la recuperación del pestillo de compuerta, obtenidos con el proceso de

soldadura por arco de metal protegido (shielded metal arcwelding,

SMAW), empleando el electrodoEutecTrode® 680, siguiendo las practicas

realizadas en taller de mantenimiento.

Cada conjunto de parámetros operativos definirá cierto desarrollo

microestructural, que tendrá asociado un comportamiento mecánico,

deseando comprender las relaciones existentes proceso-microestructura-

propiedades, en el contexto analizado.

Las variables del proceso de soldadura que no se tienen presente al

realizar el proceso de soldadura en el taller de mantenimiento son: aporte

térmico y tratamiento térmico post-soldadura, diámetro del electrodo,

intensidad de soldeo, composición química del material base y de aporte.


50

El procedimiento empleado en el presente trabajo consistió en la

preparación de los cupones, la realización de las soldaduras, la

verificación de la calidad de las mismas, las caracterizaciones

Microestructural, propiedades de dureza y tracción de los depósitos de

soldadura obtenidos.

Electrodo EutecTrode® 680

Para todos los aceros, aceros difíciles de soldar o disímiles. Resistencia

superior a la fracturación. Depósitos de alta resistencia. Ideal en

reconstrucción de piezas de acero.

Unión desconocida o metales disimilares

Se trata de un problema común: Unamáquina averiada debe repararse

rápidamentepero no está claro con quémetal está fabricada exactamente,

nose dispone de tiempo para determinarloy sin embargo debe realizarse

unareparación que ofrezca seguridad. Loselectrodos EutecTrode acero

especial680 son la respuesta.

Este electrodo multifuncionalprobado y ensayado proporciona

unamicroestructura de aporte austenítica-ferrítica equilibrada, que

consigueexcelentes propiedades mecánicas loque supone una elección

más seguracuando el acero es desconocido, o cuandose unen dos aceros

de muy distintaresistencia y ductibilidad.

Las propiedades técnicas citadas en la Tabla N° 4.1 se basan en las

normas de aseguramiento de la calidad y procedimientos de aplicaciónde

CastolinEutectic. Los procedimientos y aplicaciones distintos de los

especificados pueden alterar dichas propiedades.


51

4.2. ELABORACIÓN DE ESPECÍMENES Y SECUENCIA DE ENSAYOS

Se Obtuvo una muestra del material fracturado del que se prepararon las

probetas para realizar los análisis microscópicos, ensayo de tracción,

ensayo de dureza y de impacto.

Figura N° 4.1.

Pestillo de compuerta Fracturado del que se extrajeron las muestras


52

Figura N° 4.2.

Propiedades mecánicas del electrodo de soldadura


53

Figura N° 4.3.

Pestillo de compuerta Fracturado del que se extrajeron las muestras

Figura N° 4.4.

Ubicación de los especímenes para los ensayos a realizar


54

Diseño de Junta.- Esta sección permite la selección de la preparación de

las juntas SMAW. Para un metal de base de junta a tope con bisel, del

listado de juntas precalificadas AWS D1.1, del cual elegimos el siguiente

diseño de juntas con sus respectivas tolerancias.

Figura N° 4.5.

Detalle de la Junta de Penetración completa para el proceso SMAW

según “AWS D1.1 – Fig. Nº 3.4”

Para la realización del proceso de soldadura SMAW la probeta presenta

las siguientes características:

Tabla N° 4.1.

Parámetros de la junta de soldadura usados en las probetas.

Diseño de Junta Proceso de Soldadura SMAW

Junta A tope - simple V

Abertura de Raíz 3 mm

Talón de la Raíz 2 mm

Angulo de Bisel 60°


55

4.3. PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA

Se tiene como objetivo analizar el proceso de Recuperación del Pestillo

de Compuerta para evaluar los resultados del proceso de soldadura que

nos permita sugerir mejoras en las propiedades mecánicas y metalúrgicas

(resistencia, soldabilidad…), bajo las condiciones de soldadura realizadas

en el centro de labores por proceso SMAW. Esto no quiere decir que el

procedimiento usado será desechado, más bien, los ensayos permitirán

reafirmar que este procedimiento sea o no confiable. También nos

permitirá evaluar la microestructura, propiedades mecánicas y

metalúrgicas.

Figura N° 4.6.

Corte de Muestra a soldar


56

Figura N° 4.7.

Antorcha de Corte por plasma

Figura N° 4.8.

Uso de 24 amp para proceso de Corte por plasma


57

Figura N° 4.9.

Muestras cortadas por plasma

Figura N° 4.10.

Pulido de probeta para ensayo de dureza inicial.


58

Figura N° 4.11.

Muestras para ensayo de dureza, charpy y tracción.

Figura N° 4.12.

Preparado y Pulido de bisel para posterior soldeo.


59

Figura N° 4.13.

Probetas biseladas a 60°.

Figura N° 4.14.

Respaldo refractario


60

Figura N° 4.15.

Pase de Raíz o 1ª pasada

Figura N° 4.16.

ElectrodoEutecTrode® 680


61

Figura N° 4.17.

Muestras extraídas para mecanizado

Figura N° 4.18.

Mecanizado de probetas para posterior ensayo.


62

Figura N° 4.19.

Análisis Macrográfico.

Figura N° 4.20.

Ensayo de Dureza.


63

Figura N° 4.21.

Ensayo de Tracción.

Figura N° 4.22.


64

Ensayo de Impacto.

Soldadura con proceso SMAW

La soldadura fue efectuada con proceso arco eléctrico manual para

aplicar la soldadura, primero se ajustó la consola de la máquina de

soldadura SMAW a los valores determinados para el proceso de soldeo,

Tabla Nº 4.2, quedando:

Tabla Nº4.2.

Parámetros Proceso de soldadura SMAW.

Variable Probeta I Probeta II Probeta III

Corriente 110-120 A. 110-120 A. 110-120 A.

Polaridad Invertida Invertida Invertida

Velocidad de avance Continua Continua Continua

Longitud de arco 1-2 mm 1-2 mm 1-2 mm

N° de Pases 15 a 18 15 a 18 15 a 18

Electrodo EutecTrode® 680, 1/8 EutecTrode® 680, 1/8 EutecTrode® 680, 1/8

Respaldo Refractario Refractario Refractario

Máquina de soldar Miller Dimensión 652 Miller Dimensión 652 Miller Dimensión 652

Se conectó el circuito de soldadura que utiliza un amperaje de entre 110 a

120, éste se controla desde el tablero, se colocó el electrodo en el

portaelectrodo.

Se acomodaron las piezas de acero, para éste espesor de 1¼ pulg.se

empleó una preparación de bordes “V” (bisel en V y chaflán) formando

Angulo de 60° y se depositó el material de aporte manualmente en el

baño de soladura se utilizó un electrodo de 3.2 mm (⅛”) de diámetro, se

aplicaron entre 15 a 18 pasadas, con una separación de 2 mm entre

biseles. Al término del primer cordón, se dejó enfriar la pieza y se le

realizó limpieza. Después se aplicó los cordones restantes, se dejó enfriar


65

y finalmente se limpió. Este procedimiento se repite para todas las

probetas. Se prepararon 3 probetas con SMAW a 110 A,

4.4. CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS YSOLDADORES

Parte de cada proyecto importante desoldadura, tanto si se realiza en el

taller o en elcampo, es la calificación de procedimientos desoldadura y

soldadores u operadores desoldadura. Es uno de los pasos preliminares

másimportantes en la secuencia de fabricación. Muyfrecuentemente los

proyectos comienzan sin elbeneficio de procedimientos de soldadura

ysoldadores probados. Esto puede llevar aexcesivos porcentajes de

rechazo en laproducción debido a alguna deficienciainsospechada en la

técnica, materiales, ohabilidad del soldador.

La mayor parte de los códigos ubican lacarga de la responsabilidad de

calificación en elfabricante o contratista. Por esto, lascalificaciones de

soldadura son declaraciones porparte de esas compañías, que los

procedimientosy personal de soldadura han sido calificados deacuerdo

con los códigos y especificacionesadecuados y se encontraron

aceptables.

Sin embargo, los fabricantes ycontratistas inteligentes, se dan cuenta que

lacalificación de procedimientos y personal desoldadura en realidad dará

como resultado unareducción de los costos. Cuando se calificanpersonas

y métodos, y se encuentran aceptables,es menos probable que haya

costos excesivoscausados por las soldaduras rechazadas y retrasosen

los trabajos. Es mucho más económicoencontrar una deficiencia durante

la calificaciónque durante la producción real.

El inspector de soldadura tambiénpuede estar involucrado con dichas

calificacionesdesde el punto de vista de la revisión dedocumentos. Una de

las responsabilidades puedeser revisar tanto los formularios de

procedimientode soldadura como calificación de soldador paradeterminar

si están de acuerdo con lasespecificaciones del código y del trabajo.


66

Losinspectores de soldadura con experiencia se dancuenta que

numerosos problemas puntualespueden ser detectados y corregidos

previo a lasoldadura si esa revisión se realizacuidadosamente. Más aún,

la mayor parte de loscódigos dan autoridad al inspector de soldadurapara

requerir que los soldadores seanrecalificados en caso de que

continúenproduciendo trabajos con calidad inferior a laestablecida.

Los códigos importantes (AWS D1.1,ASME sección IX, y API 1104)

manejan este aspecto de la soldadura en forma ligeramente diferente,

4.4.1. CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO

El primero de los pasos en el procesode calificación es el desarrollo

del procedimientode soldadura, y su desarrollo dentro

delprocedimiento de calificación. Este debe precedertanto a la

calificación de soldadura y soldadurade producción, porque

determinará si la técnica ymateriales reales son compatibles. En

general, lacalificación del procedimiento de soldadura serealiza

para mostrar la compatibilidad de:

Metal(es) base

Metales de aporte de soldadura

Proceso(s), y

Técnicas

Hay tres aproximaciones generales a lacalificación de

procedimientos. Estos incluyenlos procedimientos precalificados,

ensayo decalificación de procedimientos, y ensayos

sobreprototipos para aplicaciones especiales. Losensayos sobre

prototipos pueden usarsesimplemente para suplementar otros

métodos másestándares de calificación de procedimiento.


67

Discutamos el sistema usadopor la American WeldingSociety en el

“Códigode Soldadura Estructural –Acero”, AWS D1.1.Este sistema

es único en la industria de lasoldadura, debido a que hay

numerososprocedimientos que están consideradosprecalificados.

Esto es, no hay necesidad derealizar los ensayos de calificación en

la medidaque los parámetros de soldadura estén dentro deciertos

límites prescritos. El código D1.1enumera varios procesos de

soldadura, metalesbase, espesores, configuraciones de junta,

ytécnicas de soldadura, que cuando se usan en unacombinación

específica, se consideranprecalificadas.

AWS D1.1 reconoce comoprecalificados a cuatro procesos de

soldadura,incluye por arco con electrodo revestido(SMAW), por

arco sumergido (SAW), por arcocon alambre tubular (FCAW), y por

arco conalambre y protección gaseosa (GMAW)

exceptotransferencia en corto circuito. Sin embargo, estono

significa que estos sean los únicos procesos desoldadura que

pueden ser usados. Implicasimplemente que en realidad se

requiere unensayo de calificación si se usan otros procesosde

soldadura para soldadura de producción.

Resumiendo la especificación de calificación deprocedimiento de

soldadura

1) Seleccionar las variables de soldadura

2) Verificar el equipo y materiales paracomprobar que sean

adecuados

3) Monitorear la presentación de la junta desoldadura tanto como

la soldadura en sí,registrando todas las variablesimportantes y

observaciones.

4) Seleccionar, identificar y retirar lasprobetas de ensayo

requeridas.

5) Ensayar y evaluar las probetas


68

6) Revisar los resultados para verificarconformidad con los

requerimientosaplicables del código.

7) Liberar el procedimiento aprobado paraproducción.

8) Calificar los soldadores individualmente deacuerdo con dicha

especificación.

9) Monitorear el uso de ese procedimientodurante la producción

para asegurar quecontinúe produciendo

resultadossatisfactorios.

4.4.2. CALIFICACIÓN DE SOLDADOR

Una vez que se calificó el procedimientode soldadura no tiene

ninguna utilidad hasta quelos soldadores hayan sido calificados

pararealizar soldadura de acuerdo a dichoprocedimiento. Esas son

dos operacionesseparadas porque sirven para distintos

propósitos,como se explicará en la siguiente discusión.

Asumamos que se establecieron y aprobaron losprocedimientos de

soldadura apropiados a travésde uno u otro método. Ahora es

necesario realizarlos ensayos de calificación de soldador

paradeterminar si los soldadores individuales poseenla habilidad

suficiente para producir soldadurassatisfactorias usando dichos

procedimientos.

Antes, el interés estaba en lacompatibilidad de materiales y

técnicas. Una vezque fueron probados, las

calificacionesindividuales de soldador están diseñadas parajuzgar

el nivel de habilidad de los soldadores deproducción. En

consecuencia, el ensayo decalificación de soldador es algo

diferente.

A pesar de que es diferente en ciertosaspectos, la calificación de

soldador tiene ciertassimilitudes cuando se la compara con


69

lacalificación de procedimiento. Entre estas laexistencia de

variables esenciales. En el caso decalificación de soldador, estas

pueden incluirposición de soldadura, configuración de la junta,tipo y

tamaño de electrodo, espesor del metalbase, y técnica especifica

de soldadura. Estascaracterísticas están todas relacionadas con

losaspectos de la operación de soldadura que estánafectados

directamente por la habilidad física delsoldador. Los códigos en

general son específicospara las limitaciones de las variables

esenciales.

El rango decalificación varía con las distintasconfiguraciones de

soldadura: chapa a tope,filetes en chapa, y caño a tope. Es

manifiesto quela calificación en chapa a tope provee

coberturalimitada para soldar en tubo. Sin embargo, si elsoldador

califica en tubo, él o ellaautomáticamente califica para chapa.

Además, las calificaciones en lasposiciones 3G y 4G calificarán a

ese soldadorpara todas las posiciones en chapa. También,

lacalificación en cualquiera de las posiciones paratubo 6G, o 2G, y

5G calificarán al soldador entodas las posiciones de tubo excepto

aquellas deuniones T, Y, y K. La posición de ensayo 6GR,sin

embargo, proveerá una cobertura total paratodas las posiciones y

configuraciones de tubos.

Estas denominaciones numéricas paraposiciones de ensayo son

simples abreviaturas ydeben ser recordadas por el inspector

desoldadura.

Resumiendo la secuenciageneral para la calificación de un

soldador:

1) Identificar las variables esenciales.

2) Verificar el equipo y los materialespara asegurar que sean

adecuados.


70

3) Verificar la configuración y posición dela probeta de ensayo de

soldadura desoldadura.

4) Monitorear la soldadura real paraasegurar que cumple con

elprocedimiento de soldadura aplicable.

5) Seleccionar, identificar y remover lasprobetas de soldadura

requeridas.

6) Ensayar y evaluar las probetas.

7) Completar los formularioscorrespondientes.

8) Controlar la soldadura de producción


71

Tabla N° 4.3.

Calificación del Soldador


72

Tabla N° 4.4.

ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA (WPS)

ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA (WPS)

Nombre de la Compañía:_______________________________ Por: _____________________________

Especificación de Procedimiento de soldadura N° 01 Fecha: 18/12/2013 PQR de soporte N° (s) _____Revisión N° _____________ Fecha: 18/12/2013 Proceso de Soldadura: Soldadura por Arco Eléctrico con Electrodo Metálico Revestido Tipo: Manual

UNIONES Diseño de la Unión: Tope Ranura Simple en V Respaldo (si): SI (no) Material de Respaldo (tipo): Refractario(Referente al

material de respaldo)

Metal Metal no fundente X No Metálico Otros XXX Los esquemas, dibujos de producción, símbolos de soldadura o descripción escrita deben mostrar el arreglo general de las partes por soldar. Si es necesario hay que especificar la abertura de raíz y los detalles del surco de soldadura. (si el fabricante lo juzga necesario, se puede adjuntar esquemas que ilustren el diseño de la unión, capas de soldadura, secuencia de ensayo, por ejem. para procedimientos de tenacidad a la muesca, para procedimientos de procesos múltiples, etc.)

METAL BASE N° P. _____ N° de grupo _____ Hasta N° P. ______ N° de grupo ________________________ O BIEN Tipo y grado de especificación. _____________________________________________________ Hasta tipo y grado de especificación. ________________________________________________ O BIEN Análisis químico y propiedades Mecánicas: ___________________________________________ Espesores: Metal Base: 1 1/4pulg Bisel: Simple V Chaflán : _________________________ Tamaño del Diámetro del Tubo: ____________ Bisel: _____________ Chaflán: _____________ Otros: __________________________________________________________________________

METAL DE APORTE N° Especificación. ____________________________ N° AWS (clase) ____________________________ Tamaño de Electrodos: 1/8 pulg. Metal de soldadura depositado: EutecTrode® 680 Clasificación de espesores: ____________________ Bisel: _____________________________________ Chaflán: ___________________________________ Fundente de electrodo (clase): _________________ Marca del Fundente: _________________________ Inserto Consumible: __________________________ Otros : _____________________________________


73

4.5. METALOGRAFÍA DE LA UNIÓN SOLDADA

Preparación de las probetas para la metalografía

Corte.

Terminada la soldadura, se cortaron probetas a la mitad, Fig.Nº 4.23, a

baja velocidad con enfriamiento continúo. Se maquinarontodas las

probetas en una rectificadora, con el mayor cuidado posible para

evitarcalentamiento como se muestra en la siguiente figura.

Figura N° 4.23(A)

Muestra para Análisis Metalográfico

Figura N° 4.23 (B)

Muestra para Análisis Metalográfico


74

Desbaste.

Para desbastar, se usó lija, agua y un banco de desbaste, Fig. Nº4.24.

Para afinar la superficie de las probetas se utilizó la secuencia de lijas:

grado 220, 320, 500, 600, 800, 1000, 1200 y 1500.

Figura N° 4.24.

Máquina de desbaste

Pulido.

El pulido final se realizó en una máquina pulidora, Fig. Nº4.25.Girando en

un rango de 450 a 500 rpm con un paño de cerda corta, alúmina de 0.5μm

y agua utilizada como lubricante se obtienen un acabado espejo.

Figura N° 4.25.

Máquina pulidora


75

Ataque Químico.

Al terminar el pulido al espejo, las probetas son sometidas a un ataque

químico, el cual, es necesario para revelar las estructuras de los metales.

Se utilizó como solución de ataque el Reactivo Marble’s, cuya

composicion es la siguiente: 10 g de CuSO4 en 50 ml de H2O y 50 ml de

HCl.

En un recipiente, Luna de Reloj, se depositó una cantidad de reactivo,

suficiente para sumergir lasprobetas durante 5 segundos, con el propósito

de revelar la estructura.

El ataque es notorio porque la probeta pierde su brillo, y al observarse

bajo elmicroscopio se revelan las estructuras de las probetas.

4.6. DETERMINACIÓN DE LA DUREZA

Introducción a la Dureza.- La resistencia de un material es la resistencia

que opone a la penetración de un cuerpo más duro. La resistencia se

determina introduciendo un cuerpo de forma esférica, cónica o piramidal,

por el efecto que produce una fuerza determinada durante cierto tiempo

en el cuerpo a ensayar.

La superficie de las probetas debe ser pulida, superficie plana; estar

limpia, homogénea y perpendicular al indentador, libre de óxido y

lubricantes. Un indentador cónicoesferoidalde diamante fue utilizado para

la determinación de la dureza Rockwell.

Dureza Rocwell.- Para los materiales duros se emplean como elemento

de penetración un cono de diamante de Angulo 120°, y para los

semiduros y blandos una billa de acero de 1/16”, deduciéndose la fuerza

Rockwell de la profundidad conseguida en la penetración. El cuerpo


76

empleado para la penetración se hace incidir sobre la superficie de la

pieza a ensayar con carga previa de 10 kg.

Figura N° 4.26.

EnsayoRocwell A, C, D (HRA; HRC; HRD)

Figura N° 4.27.

EnsayoRocwell B, F, G (HRB; HRF; HRG.HRE)


77

La siguiente es una tabla simplificada de los materiales más comunes que

se miden con Rockwell.

Tabla N° 4.5.

Indentadores y Cargas utilizados en el ensayo Rockwell

PROCEDIMIENTO.

Selección de la Carga.- Esta se realiza haciendo girar la palanca al lado

derecho del equipo. Se tienen dos palancas la inferior para seleccionar si

se aplica un ensayo Rockell o Rockell superficial, la palanca que se

encuentra en la parte superior permite la selección de cargas que van

desde 15 a 150 kg.

Selección del tipo de indentador.- La selección del tipo de indentador se

realiza teniendo en cuenta si la probeta a ensayar es considerado un

material de alta dureza (Cono de diamante) o mediana dureza (Billa de

acero de 1/16”).

Aplicación de la Carga Menor: Debe colocarse la probeta sobre el

soporte y aplicar lacarga menor gradualmente haciendo girar la volante

hasta que se obtenga la indicación apropiada en la pantalla y se escuche

un sonido. Esto seobtiene cuando el indicador haya hecho contacto con la

probeta y alcanzado la presión adecuada.

Aplicación de la Carga Mayor:Esta se aplica automáticamente al

escuchar el sonido y en la pantalla se muestra una barra que aumenta

según la dureza del material y tras aplicar la carga mayor se detiene y


78

muestra un valor numérico en la pantalla, esta lectura es la dureza de la

probeta ensayada en ese punto.

Figura N° 4.28.

Equipo de Ensayo de Dureza Rockwell

4.7. DETERMINACIÓN DEL ENSAYO DE TRACCIÓN

Las tensiones normales son aquellas que tienden a separar dos secciones adyacentes y

tienden a alcanzar un valor crítico para el cual se producen las decohesión del material,

las tangenciales tienden a generar deslizamiento entre secciones.

Del estudio de la resistencia de los materiales se obtienen fórmulas y

metodologías que permiten calcular en base al estado de cargas

aplicadas, las tensiones correspondientes a cada punto, es decir el estado

de tensiones del cuerpo. Luego para poder establecer la resistencia o no

del cuerpo hace falta valores característicos del material para poder

comparar las tensiones aplicadas al material con las que este puede

soportar. Idéntico razonamiento en forma inversa se aplica para

dimensionar una pieza.


79

El ensayo de tracción permite obtener para el material, entre otras

características, la tensión normal máxima que soporta y

fundamentalmente la tensión normal en que el material deja de

comportarse elásticamente, característica primordial en el cálculo basado

en la resistencia de materiales. Pero además este ensayo permite

determinar las principales características de un material: resistencia,

comportamiento, ductilidad, fragilidad, alargamiento, estricción.

El esfuerzo de tracción es el más sencillo de aplicar a una probeta pues

sólo se trata de aplicar una carga axial sobre la misma, obteniéndose la

tensión correspondiente simplemente como el cociente entre la carga

aplicada y la sección.

= P/Q

: Tensión P: Carga Q: Sección o área

Mediante este simple método se puede caracterizar a un material

obteniéndose tensiones a características de su comportamiento que son

aplicables a los cálculos correspondientes a cualquier solicitación más

compleja que involucre tensiones normales.

Características del Ensayo de Tracción

Diagramas Carga - Alargamiento

El diagrama que se obtiene del ensayo de forma directa mediante un

registrador X-Y lleva el registro de cargas en el eje vertical y el

alargamiento en el eje horizontal. La correcta programación de las escalas

del registrador permite obtener gráficos que detallen con claridad los

comportamientos que más adelante se describen. Se obtienen

generalmente sobre papel milimetrado para facilitar las determinaciones y

cálculos posteriores.


80

Figura Nº 4.29.

Diagrama Tensión - Deformación

Figura Nº 4.30.

Geometría de Probeta

Dónde:

Ic : Longitud calibrada

lo : Longitud de referencia previa a ensayar

l : Longitud de referencia luego de la rotura


81

4.8. DETERMINACIÓN DEL ENSAYO DE IMPACTO

Los ensayos dinámicos son realizados para valorar la capacidad de

resistencia de los materiales metálicos a las cargas de impacto

(tenacidad) y determinar su tendencia a la destrucción frágil. Entre los

ensayos de esta índole lo más conocidos y estandarizados los de

impacto.

Consideraciones generales

Los ensayos de impacto son realizados con la ayuda del Péndulo de

Charpy, con una energía que sobrepasa los 30 kgf-cm. El esquema de

ensayo se muestra en la figura siguiente.

Figura Nº 4.31.

Esquema de trabajo del Péndulo Charpy

La muestra se coloca Horizontalmente en un patrón especial que

garantiza estrictamente la posición de la incisión (ranura, entalla) en la

parte media del vano entre los apoyos. El impacto es aplicado desde el

lado opuesto a la incisión, en el plano perpendicular al eje longitudinal de

la muestra. El péndulo se fija en la posición superior inicial a la altura hα,


82

luego la uña de fijación se retira, el péndulo cae libremente por efecto de

su propia gravedad aplicando un impacto a la muestra, que la encorva y

destruye elevándose en relación al eje vertical del péndulo Charpy en un

ángulo β. Este Angulo es tanto menor, cuanto mayor es la energía

aplicada en el proceso por el péndulo para la deformación y destrucción

de la muestra.

Por medio de la escala, se mide el ángulo de elevación del péndulo y

directamente se lee la energía consumido en el proceso (la escala del

indicador esta graduada en kilopondios por metro kp-m). Las relaciones

energéticas usadas se muestran a continuación.

Figura N° 4.32.

Relaciones matemáticas

La magnitud de la energía empleada en la deformación y destrucción de

la probeta se determina por la diferencia de la energía potencial del

péndulo en el momento inicial (después de la elevación al ángulo α) y final

del ensayo (después del impacto y elevación hasta el ángulo β).

En la norma ASTM E23 o Charpy-V la probeta es de sección cuadrada de

10 mm de lado y 55 mm de longitud,la entalla es triangular formando las

caras un ángulo de 45º, con una profundidad de 2mm y redondeo en el

fondo de la entalla de 0,25 mm de radio.


83

Figura Nº 4.33.

Dimensiones Probeta de Impacto


84

CAPITULO V

RESULTADOS DE ENSAYOS

5.1. RESULTADO DEL ANÁLISIS METALOGRÁFICO

Caracterización Fractográfico, Macroscópico y Microestructuraldel

Pestillo de Compuerta (Unión Soldada)

Introducción

El Estudio de caracterización comprende la aplicación de diferentes

técnicas de Microscopía Óptica a fin de determinar las microestructuras

presentes en el material ensayado. El presente trabajo se llevó a cabo en

los laboratorios de Metalografía de la Universidad Nacional de San

Agustín de Arequipa.

El empleo de técnicas de microataque químico con reactivos adecuados,

permitieron revelar zonas características de una unión soldada y

microestructuras formadas.


85

Conclusiones

El Análisis Fractográficosobre una muestra fracturada, reveló que el

origen de la falla se originó a partir de un extremo de la muestra

presenta marcas de maquinado profundas (FotografíaNº 5.1 y 5.2).

MUESTRA FRACTURADA

Fotografía Nº 5.1.

Inicio y final de la fractura

Inicio Final


86

Fotografía Nº 5.2.

Marcas gruesas y profundas de maquinado

El Análisis Macrográfico realizado sobre la unión soldada, indica

claramente la formación de zonas coalescentes producto de cambios

de fase por aporte de calor. (Macrografías Nº 5.1, 5.2, 5.3 y 5.4).

ANÁLISISMACROSCÓPICO

Macrografía Nº 5.1.

Regiones formadas por coalescencia producto de la soldadura.

Aumento 5x. Reactivo Marble’s

MB


87


Zonas de metal fundido (ZF), afectada por el calor (ZAC) y metal base

(MB). Aumento 16x. Reactivo Marble’s


Fisura en zona afectada por el calor (ZAC). Aumento 16x. Reactivo

Marble’s


88


Fisura en zona afectada por el calor (ZAC). Aumento 16x. Reactivo

Marble’s

EL ANALISIS MICROESTRUCTURAL efectuado en zona de fusión,

zona interface zona de fusión-ZAC, zona ZAC y material base;

mostraron la presencia de microconstituyentes característicos.

La Tabla Nº 5.1, presenta los microconstituyentes encontrados por

zonas de observación.

Tabla Nº 5.1

Microconstituyentes. Reactivo Marble’s

FC:Ferritacolumnar, FW: Ferrita Widmanstatten, FR:Ferrita

recristalizada, PC: Precipitación de carburos, F: Fisura, GAD: Granos de

austenita deformados, M: Maclas

Zona Fusión Interface Zona Fusión- ZAC Zona ZAC Metal Base

FR/FC/FW/PC MF FR/F GAD/M


89

Análisis Microscópico

Micrografía Nº 5.1.

Zona de Fusión. Granos recristalizados de ferrita y precipitación de

carburos. Aumento 500x. Reactivo Marble’s

(10 g de CuSO4 en 50 ml de H2O y 50 ml de HCl).

Micrografía 5.2.

Zona de Fusión. Granos recristalizados y aciculares de ferrita.

Precipitación de carburos. Aumento 500x. Reactivo Marble’s

(10 g de CuSO4 en 50 ml de H2O y 50 ml de HCl).


90


Zona de Fusión. Granos columnares y ferrita Widmanstatten.


Micrografìa Nº 5.4.

Zona interface zona de fusión-ZAC. Fisura que inicia en la uniòn y

avanza hacia el metal base. Aumento 50x. Reactivo Marble’s


91


Zona interface zona de fusión-ZAC. Mezcla de fases metal de aporte

y metal base. Aumento 50x. Reactivo Marble’s


Zona interface zona de fusión-ZAC. Mezcla de fases metal de aporte

y metal base. En zona ZAC se aprecia granos recristalizados de

metal base. Aumento 50x. Reactivo Marble’s


92


Metal Base. Granos de Austenita deformados. Maclas en el interior

de Granos. Carburos precipitados. Aumento 500x. Reactivo Marble´s


Metal Base. Granos de austenita deformados.



93


Metal Base. Maclas en el interior de grano austenítico.

Aumento 500x. Reactivo Marble’s

Otras micrografías

Figura Nº 5.1.

Micrografía donde se observan microgrietas


94

Figura Nº 5.2.

Micrografía mostrando la Zonas de Metal Fundido y Metal Base

Resultados del análisis microscópico:

La morfología de las microestructuras encontradas en la Zona de

Fusión, indican un enfriamiento lento y la transformación de austenita

a ferrita con precipitación de carburos en condiciones de equilibrio.

Producto de calentar a una temperatura muy superior a la línea Ac3;

los granos de austenita se transforman en ferrita en placas (Ferrita

Widmanstatten)

El metal base presenta una microestructuras conformada por

austenita con maclas en el interior de grano. La deformación de los

granos de austenita, presume que el componente ensayado ha

estado sujeto a impacto o soportando grandes cargas. Se evidencia

una textura de deformación plástica con líneas características de los

planos de deslizamiento y de los de maclas.

El mecanismo de endurecimiento del acero austenìtico se explica por

la ocurrencia de los mecanismos de deslizamiento y maclado por

acción de la deformación.

En zona de interface ZF-ZAC, se aprecia mezcla de fases producto

del proceso de solidificación.


95

La presencia de fisuras en la zona ZAC indicarían acumulación de

esfuerzos térmicos producto del calentamiento por soldeo. Se sugiere

precalentar el material antes de realizar el proceso de soldadura.

Para mayor precisión en la identificación del material se sugiere un

análisisquímico.

5.2. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS DE TRACCIÓN

Es conocido que el proceso de soldadura afecta las propiedades

metalúrgicas y por lo tanto las propiedades mecánicas de las juntas

soldadas que a continuación se analizan.

Ensayo Realizado : Tracción

Muestra : Probetas Tracción

Nº de Muestras : 03

Equipo Utilizado : Maquina Universal de Ensayo de Tracción,

Marca MeresiHatarok, 10Tn

Norma Utilizada : ASTM E 8M

Los ensayos deben cumplir los siguientes requisitos:

Para pasar la prueba de tensión, tendrá una resistencia que no sea

menor que la mínima resistencia de la tensión especificada del metal

base.

Si el espécimen se rompe en el metal base afuera de la soldadura o

de la línea de fusión la prueba será aceptada como que satisface los

requerimientos, siempre y cuando la resistencia no esté más del 5%

debajo de la mínima resistencia de tensión especificada del metal

base.


96

En la figura siguiente se detalla la forma y dimensiones de las probetas

mecanizadas.

L A BA

D

G R

Figura N° 5.3.

Forma de la probeta mecanizada según norma ASTM E-8

Tabla N° 5.2.

Dimensiones empleadas para el mecanizado de las probetas

G= Longitud entre marcas 30.0 +- 0.10mm

D= Diámetro 8 +- 0.25mm

A= Longitud de Sección reducida 50 mm aprox.

L= Longitud total aproximada 80mm

B= Longitud de la sección Final 15mm aprox.

C= Diámetro de la sección final 15 mm aprox.

R= Radio min. 2mm

Tabla N° 5.3.

Resultados del ensayo de tracción – SMAW

Ensayo de Tensión - SMAW

Muestra

Resistencia a la Tracción

(PSI) % de elongación

1 84,635 3.75%

2 95,418 10%

3 113,245 12.5%

C


97

1: Unión Soldada, 2: Metal Base; 3: Metal de Aporte

En los resultados de los ensayos de tracción de la Tabla Nº 5.3 se

pudo observar que las muestras 1 fallo en la zona ZAC a un esfuerzo

máximo entre 84,635 psi, todos estos esfuerzos mayores al del

material base.

En la muestra 2 hay ligera formación de cuello y una elongación de

hasta 10% lo que nos indica que es un material dúctil.

En la muestra 3 hay formación de cuello, una mayor elongación y el

más elevado valor de resistencia a la tracción.

En ensayo con la muestra 1 el material base ni el material fundido no

fallaron, por lo que concluimos que se presenta debilitamientos del

material soldado en la zona ZAC. (Microfisuras).

Figura N° 5.4.

Macrografía Probetas de Unión Soldada


98

Figura N° 5.5.

Macrografía Probetas de Metal Base

Figura N° 5.6.

Macrografía Probetas de Metal de Aporte

5.3. RESULTADOS DE LA MEDICIÓN DE DUREZA

Ensayo de Dureza Inicial.- Se realizaron medidas de dureza Rockwell B

(HRB), de acuerdo a la norma ASTM E18. La dureza se realizó en

muestras de material fracturado las que fueron preparadas previamente

como se muestra en la siguiente figura.

Las mediciones de dureza se resumen en la siguiente Tabla.

Tabla N° 5.4.

Medición de Dureza Inicial MB

N° de Probeta Lecturas en Escala HRB Promedio

1 99.4 95.5 95.2 95.2 95.7 96.2

2 95.7 99.8 95.5 96.7 96.6 96.86


99

Figura N° 5.7.

Diagrama de Dureza inicial Probeta 1

Figura N° 5.8.

Diagrama de Dureza inicial Probeta 2

Ensayo de Dureza Final.-El ensayo de dureza es de mucha importancia,

para hacer las comparaciones iníciales y finales.

Medición de durezas en las diferentes zonas de soldeo

En la siguiente tabla se muestra los resultados después de realizada la

unión soldada.

92

94

96

98

100

1 2 3 4 5

Ro

cwe

ll B

Dureza Inicial

Probeta 1

92

94

96

98

100

102

1 2 3 4 5

Ro

cwe

ll B

Dureza Inicial

Probeta 2


100

Tabla N° 5.5.

Dureza Final

MB: Metal Base, ZAC: Zona afectada por el Calor, ZF: Zona Fundida

Figura N° 5.9.

Esquema de medición de Dureza en las diferentes zonas del cordón

de soldadura.

Con los valores de dureza que se obtuvieron, se construyeron gráficas

donde sepueden analizar los resultados y apreciar el comportamiento de

las probetas. Cadacurva de las gráficas promedio de dureza resume los

valores obtenidos en el barrido demedición de dureza.

Durezas en las diferentes zonas de soldeo Promedio

MB 91.8 95.2 93.2 92.1 91.9 ------ 92.8

91.4 94.6 94.3 95.1 96.1 ------ 94.3

ZAC 96.1 98.4 96.6 97.6 98.6 97.0 97.4

91.3 94.3 97.1 96.4 97.9 99.3 96.0

ZF 94.1 93.9 92.8 95.9 96.1 97.9 95.1


101

Figura N° 5.10.

Diagrama de Dureza Final MB 1

Figura N° 5.11.

Diagrama de Dureza Final MB 2

90

91

92

93

94

95

96

1 2 3 4 5

Ro

ckw

ell

B

Dureza Final

Metal Base MB 1

89

90

91

92

93

94

95

96

97

1 2 3 4 5

Ro

ckw

ell

B

Dureza Final

Metal Base MB 2


102

Figura N° 5.12.

Diagrama de Dureza Final ZAC 1

Figura N° 5.13.

Diagrama de Dureza Final ZAC 2

94.5

95

95.5

96

96.5

97

97.5

98

98.5

99

1 2 3 4 5 6

Ro

ckw

ell

B

Dureza Final

ZAC 1

86

88

90

92

94

96

98

100

1 2 3 4 5 6

Ro

ckw

ell

B

Dureza Final

ZAC 2


103

Figura N° 5.14.

Diagrama de Dureza Final ZF

Figura N° 5.15.

Diagrama de Comparación de Dureza Final de las diferentes zonas de

soldadura.

90

91

92

93

94

95

96

97

98

99

1 2 3 4 5 6

Ro

ckw

ell

B

Dureza Final

Zona Fundida ZF

88

90

92

94

96

98

100

1 2 3 4 5 6

Ro

ckw

ell

HR

B

Comparacion de Dureza Final

Metal Base

Zona ZAC

Zona de Fusion ZF


104

Figura N° 5.16.

Diagrama de Comparación de Dureza Final de las diferentes zonas de soldadura.

91

92

93

94

95

96

97

98

99

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18Du

reza

Ro

ckw

ell

HR

BComparacion de Dureza en zonas de soldadura

Metal Base MB

Zona ZAC

Zona de Fusion ZF

Promedio dureza ZAC

Promedio Dureza MB

Promedio Dureza ZF


105

Conclusiones del Ensayo de Dureza

De los diagramas anteriores concluimos:

La dureza en la Zona ZAC es la más elevada de todas, por producirse

precipitación de carburos producto del proceso de soldadura.

La zona fundida ZF presenta una dureza intermedia de las tres zonas

de soldadura, mayor que el material base y menor que la zona ZAC, lo

que permite cumplir con el requerimiento del proceso de soldadura,

que el metal de aporte debe de ser de mejor o igual calidad que el

metal base.

La falla del Material del pestillo de compuerta se presenta en la zona

ZAC, esto se da por las micro fisuras existentes y como prueba las

fotos tomadas a material fracturado.

Figura N° 5.17.

Pestillo de Compuerta Fracturado por la zona ZAC


106

Figura N° 5.18

Pestillo de Compuerta Fracturado

5.4. RESULTADO DEL ENSAYO CHARPY

El ensayo cumple con la norma ASTM E-23.

Tabla N° 5.6.

Resultados Ensayo Charpy

1: Unión Soldada; 2: Metal Base; 3: Metal de Aporte

De los resultados del ensayo Charpy concluimos que el Metal de Aporte y

la Unión soldada muestran características de material frágil por la baja

energía absorbida, el metal base se caracteriza por tener una alta

ductilidad.

Probeta Nª Energía

aplicada

Área de sección

mm2

Energía Absorbida

N-m

1 30 Kp 0.8 45

2 30 Kp 0.8 192.5

3 30 Kp 0.8 45


107

Figura N° 5.19.

Macrografía Probetas de Unión Soldada

Figura N° 5.20.

Macrografía Probetas de Metal Base

Figura N° 5.21.

Macrografía Probetas de Metal de Aporte


108

CAPITULO VI

EVALUACION ECONOMICA

6.1. CONSIDERACIONES GENERALES

Las operaciones de soldadura involucran un gran número de aspectos

que pueden tener algún tipo de impacto en su costo final, como por

ejemplo la utilización de materiales consumibles (metal de aporte, gas,

fundentes y otros), el costo de la mano de obra y otros costos fijos, el

gasto de energía eléctrica, los costos de mantenimiento y los de

depreciación de los equipos y los costos de los equipos y materiales de

protección, de las piezas, herramientas y otros materiales.

Los costos de soldadura, se deben de determinar con exactitud porque es

una parte del total del producto. La soldadura que se realizo es en “V”.

6.2. COSTOS

6.2.1. COSTOS DIRECTOS

Entre los costos directos tenemos:

Mano de obra

Materiales

Otros gastos indirectos


109

6.3. COSTOS EN SOLDADURA POR METRO LINEAL

El costo de la soldadura lo haremos para el proceso SMAW

I. CALCULO DEL PESO DEL DEPOSITO (Kg/m).- el peso se base en

una unión de 1 metro lineal.

PD= AST X D X 100cm.

PD = Peso del depósito en Kg/m

AST = Área de la sección transversal cm2

D = Densidad del acero inoxidable en Kg/cm3 : 7.93gr/cm3

100cm = El cálculo se basa en un metro lineal

AST = AR * T + 2*(X/2*22.23)/2

X = 25.65 mm

AR = abertura de raíz

T = Espesor de la plancha

T = 1pulg = 25.4 mm

Figura Nº 6.1.

Dimensiones de área de sección transversal para soldar

22.23mm =


110

R

PD

0.65

2.87 Kg/m

AST = 3* 25.4 + 2* (25.65/2*22.23)/2

AST = 76.2 + 285 = 361.3 mm2

AST = 3.613 cm2

DONDE: PD = 3.613 cm2 x 0.793kr/100cm3 x 100 cm.

PD = 2.87Kg/m

II. CÁLCULO DEL METAL DE APORTE NETO NECESARIO (Kg/m):

peso del metal de aporte necesario en Kg.

PMA = ----------

PMA : Peso del metal de aporte necesario en kg/m

PD : Peso del metal de soldadura depositado Kg

R : Rendimiento del metal de soldadura SMAW = 65%

PMA = -----------------------

PMA = 4.41 Kg/m

III. COSTO DEL ELECTRODO ($).- Este cálculo se hace también en

base a un metro lineal de soldadura $/m.

C. Electrodo = precio del electrodo ($/Kg) x PMA

C. Electrodo = 7 $/Kg x 4.41 Kg/m

C. Electrodo = 30.87 $/m

IV. VELOCIDAD DE AVANCE (m/hr).- Este dato se tomó durante la

realización de la soldadura:

VA = 0.3 m/hr


111

12 $/hr

1.32 m/hr x 0.65

Tarifa del soldador $/hr

VA x f

V. VELOCIDAD DEL DEPOSITO (Kg/hr).-

VD = PMA X VA

DATOS:

1 VARILLA DE 1/8” (3.18 mm) pesa = 0.0286 Kg = 28.6 gr.

Por metro lineal se deposita (PMA) = 4.41 Kg/m = 4410 gr

Por metro lineal se deposita = 4410/28.6 = 154 varillas

En 0.3 m se deposita = 46 varillas

VD = 4.41 Kg/m x 0.3 m/hr

VD = 1.323 Kg/hr.

VI. COSTO DE MANO DE OBRA (MO).-En este rubro se debe de

considerar el factor operador (f), que es el porcentaje de tiempo de

arco contra el tiempo total pagado. Para el proceso manual SMAW

se considera el 65%.

Datos:

Tarifa del soldador = 12$/hr

VA = 1.32 m/hr

f = 0.65

MO = ----------------------------------------

MO = ----------------------------------

MO = 13.98 $/m = 14 $/m


112

T x V x A x PMA

1000 x V dep. x f x n

7 x 20 x 115 x 4.41

1000 x 1.323 x 0.65 x 0.75

71001

644.96

VII. CALCULO DE COSTO DE ENERGIA ELECTRICA.- El costo se

realiza por metro lineal de soldadura

Costo E = ------------------------------------

Costo E = Costo del consumo de energía en $/m.

T = Tarifa de pago de la empresa $/kw-hr

V = Voltios al momento de soldar

A = Amperios

PMA = Peso del metal de aporte neto kg/m

V dep. = Velocidad de depósito kg/hr.

f = Factor operativo 65%

n = Rendimiento de la fuente de energía.

Proceso SMAW

Costo E = ------------------------------------------- = --------------

Costo E = 110 $/m

Costo en soles

Costo E = 110 $/m x 2.80 = 308 nuevos soles

VIII. COSTO DEL PESTILLO DE COMPUERTA DE CUCHARON DE PALA

MECÁNICA

01 PESTILLO DE COMPUERTA DE CUCHARON $ 6,400


113

Tabla Nº 6.1.

Resumen de datos

DATOS PROCESO GTAW

PESO DEL DEPOSITO 2.87Kg/m

METAL DE APORTE NETO 4.41 Kg/m

COSTO DEL ELECTRODO 30.87 $/m

VELOCIDAD DE AVANCE 0.3 m/hr

VELOCIDAD DE DEPOSITO 1.323 Kg/hr.

COSTO DE MANO DE OBRA 14 $/m

COSTO DE ENERGIA 110 $/m

Total 1 154,87 $/m

TIEMPO DE SOLDEO 1 día

IX. OTROS COSTOS

Tabla Nº 6.2.

Otros costos

MATERIALES PRECIO

Papel para pulir (240, 400, 1200) 36.00

Mecanizado 180.00

Ensayo de tracción 100.00

Ensayo de dureza 100.00

Ensayo metalográfico 300.00

Ordenador personal 250.00

Impresión proyecto 250.00

Total 1216.00


114

CONCLUSIONES

1. La falla del acero del pestillo de compuerta de cucharón de pala

mecánica se inicia por las huellas profundas del maquinado y se ven

apresuradas por las microfisuras producto del proceso de soldadura.

2. Las durezas obtenidas en el cordón de soldadura fueron inferiores en el

metal base, debido al tratamiento térmico que se dio en el soldeo. La

dureza en la ZAC es ligeramente superior a la ZF y mayor en 5 puntos a

la del MB, endureciéndose esta zona lo que da origen a las microfisuras.

3. Los resultados del análisis microscópico indican la formación de

carburos en la ZF por enfriamiento lento, lo que explica el aumento de

dureza con respecto al MB.

4. La prolongación de la vida útil del pestillo de compuerta de cucharón de

pala mecánica será mayor si se realiza un estudio de soldabilidad y no

tan solo usando el mejor electrodo existente en el mercado.

5. La Recuperación del Pestillo de Compuerta por el Proceso SMAW

representa un costo bastante bajo con respecto al costo de uno nuevo.


115

SUGERENCIAS

1. Contar con Procedimiento de Soldadura es de mucha importancia para

llevar a cabo una soldadura, y no basta con la experiencia del soldador.

2. Por ser un acero de más de una pulgada de espesor sería necesario

calcular la temperatura de precalentamiento para evitar las

microfisuraciones como se muestra en las Macrografías N° 5.


116

BIBLIOGRAFÍA

MANUAL DEL SOLDADOR

AUTOR: GERMÁN HERNANDEZ RIESCO, EDICIÓN: 15

INTRDUCCIÓN A LA METALURGIA DELA SOLDADURA

AUTOR: Dr. CARLOS FOSCA, EDICIÓN: 2006

MANUAL PRÁCTICO DE SOLDADURA

AUTOR: SOLDEXSA S.A. EDICIÓN: SEPTIMA

SOCIEDAD AMERICANA DE SOLDADURA, AWS D1.1 – 2004.

SEGURIDAD EN SOLDADURA

AUTOR:CENTRO TECNOLOGICO DE SOLDADURA SOLDEXSA

CATALOGO DE SOLDADURAS AUTOMATICAS Y SEMIAUTOMATICAS.

AUTOR: SOLDEXSA S.A.

CALLISTER W. D., “INTRODUCCIÓN A LA CIENCIA E INGENIERÍA DE

LOS MATERIALES”, ED. REVERTÉ S.A.

AMERICAN WELDING SOCIETY, “STANDARD WELDING TERMS AND

DEFINITIONS”, AMERICAN WELDING SOCIETY, 1994.

http://www.asme-ipti.org/public/PagQQMKW534322333.aspx

www.utp.edu.co/php/revistas/ScientiaEtTechnica/.../15327133-138.pdf

http://www.espatentes.com/B23/2291990.html

http://products.esab.com/Templates/T087.asp?id=58098

http://www.block.cl/metales.htm

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S.pdf

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