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
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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
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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.
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ANÁLISIS DE LA RECUPERACIÓN DEL PESTILLO DE COMPUERTADE
CUCHARÓN DE PALA MECÁNICA 3800-4100 POR PROCESO DE
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.
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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.
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“ANÁLISIS DE LA RECUPERACIÓN DEL PESTILLO DE COMPUERTA DE
CUCHARÓN DE PALA MECÁNICA 3800-4100 POR PROCESO 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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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.
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Figura Nº 1.3.
Pala Mecánica 3800-4100 Mostrando su cucharon.
Figura Nº 1.4.
Nomenclatura del Cucharon de Pala Mecanica
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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
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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.
Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-
6012 (Na) y AWS-E-6013 (K).
Características específicas.
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.
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23
Clasificación AWS de electrodos para aceros al carbono: AWS-E-
7015 (Na) poco frecuentes y AWS-E-7016 (K) muy utilizados
Características específicas.
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
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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).
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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
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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.
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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
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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.
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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:
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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.
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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
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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
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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;
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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
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52
Figura N° 4.2.
Propiedades mecánicas del electrodo de soldadura
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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
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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°
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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
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56
Figura N° 4.7.
Antorcha de Corte por plasma
Figura N° 4.8.
Uso de 24 amp para proceso de Corte por plasma
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57
Figura N° 4.9.
Muestras cortadas por plasma
Figura N° 4.10.
Pulido de probeta para ensayo de dureza inicial.
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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.
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59
Figura N° 4.13.
Probetas biseladas a 60°.
Figura N° 4.14.
Respaldo refractario
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60
Figura N° 4.15.
Pase de Raíz o 1ª pasada
Figura N° 4.16.
ElectrodoEutecTrode® 680
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61
Figura N° 4.17.
Muestras extraídas para mecanizado
Figura N° 4.18.
Mecanizado de probetas para posterior ensayo.
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62
Figura N° 4.19.
Análisis Macrográfico.
Figura N° 4.20.
Ensayo de Dureza.
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63
Figura N° 4.21.
Ensayo de Tracción.
Figura N° 4.22.
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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
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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.
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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.
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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
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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
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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.
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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
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71
Tabla N° 4.3.
Calificación del Soldador
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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 : _____________________________________
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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
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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
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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
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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)
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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
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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.
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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.
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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
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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,
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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.
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83
Figura Nº 4.33.
Dimensiones Probeta de Impacto
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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.
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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
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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
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Macrografía Nº 5.2.
Zonas de metal fundido (ZF), afectada por el calor (ZAC) y metal base
(MB). Aumento 16x. Reactivo Marble’s
Macrografía Nº 5.3.
Fisura en zona afectada por el calor (ZAC). Aumento 16x. Reactivo
Marble’s
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Macrografía Nº 5.4.
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
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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).
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90
Micrografía Nº 5.3.
Zona de Fusión. Granos columnares y ferrita Widmanstatten.
Precipitación de carburos. Aumento 500x. Reactivo Marble’s
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
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91
Micrografía Nº 5.5.
Zona interface zona de fusión-ZAC. Mezcla de fases metal de aporte
y metal base. Aumento 50x. Reactivo Marble’s
Micrografía Nº 5.6.
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
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92
Micrografía Nº 5.7.
Metal Base. Granos de Austenita deformados. Maclas en el interior
de Granos. Carburos precipitados. Aumento 500x. Reactivo Marble´s
Micrografía Nº 5.8.
Metal Base. Granos de austenita deformados.
Precipitación de carburos. Aumento 50x. Reactivo Marble’s
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93
Micrografía Nº 5.9.
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
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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.
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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.
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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
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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 =
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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
http://www.westarco.com/InfoTecnica/Sist.%20Clas.%20Electrodos%20AW
S.pdf
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