UNIVERSIDAD DE CARABOBO FACULTAD DE INGENIERÍA ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA INFLUENCIA DEL MODO DE TRANSFERENCIA DEL APORTE EN UN PROCESO GMAW SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y MICROESTRUCTURALES DE UN ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO AISI-304 CUTILLO F. ALFONSO J PEÑA L. JOSE R. Valencia, Noviembre de 2009
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UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
INFLUENCIA DEL MODO DE TRANSFERENCIA DEL APORTE EN UN PROCESO GMAW SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y
MICROESTRUCTURALES DE UN ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO AISI-304
CUTILLO F. ALFONSO J
PEÑA L. JOSE R.
Valencia, Noviembre de 2009
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
INFLUENCIA DEL MODO DE TRANSFERENCIA DEL APORTE EN UN PROCESO GMAW SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y
MICROESTRUCTURALES DE UN ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO AISI-304
TRABAJO ESPECIAL DE GRADO PRESENTADO ANTE LA ILUSTRE
UNIVERSIDAD DE CARABOBO PARA OPTAR AL TÍTULO DE
INGENIERO MECÁNICO
TUTOR: ING. TORRES, CARMELO CUTILLO F. ALFONSO J
PEÑA L. JOSE R.
Valencia, Noviembre de 2009
UNIVERSIDAD DE CARABOBO
FACULTAD DE INGENIERÍA
ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA
CERTIFICADO DE APROBACIÓN Quienes suscriben, Miembros del Jurado designado por el Consejo de Escuela de Ingeniería Mecánica para examinar la Tesis de Pregrado titulada “INFLUENCIA DEL MODO DE TRANSFERENCIA DEL APORTE EN UN PROCESO GMAW SOBRE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS Y MICROESTRUCTURALES DE UN ACERO INOXIDABLE AUSTENÍTICO AISI-304”, presentada por los bachilleres: Cutillo Alfonso y Peña José, portadores de la Cédula de Identidad Nº: 17.776.949 y 18.257.071, respectivamente; hacemos constar que hemos revisado y aprobado el mencionado trabajo.
_______________________
Prof. Carmelo Torres, Ing. Presidente del jurado
_______________________ Prof. Franklin Camejo, Ing.
Miembro del jurado
________________________ Prof. Luis Sidorova, Ing.
Miembro del jurado
En Naguanagua a los 06 días del mes de Noviembre de 2009
AAggrraaddeecciimmiieennttooss
Al profesor Carmelo Torres por brindarnos toda su ayuda, apoyo y colaboración a lo largo de la realización de este Trabajo Especial de Grado.
A ININCA por habernos permitido la realización de las uniones soldadas, facilitando sus equipos, material y personal calificado.
A todas las personas que nos prestaron su colaboración en la realización de este trabajo.
A los técnicos y personal calificado del laboratorio de materiales de la Facultad de Ingeniería Mecánica.
DDeeddiiccaattoorriiaa
A Dios primeramente por darme todas las fuerzas y energías para
alcanzar mi meta.
A mis padres, por darme la vida y estar siempre a mi lado,
brindándome todo su amor, apoyo, confianza. Por enseñarme que
siempre hay que esforzarse y luchar para alcanzar las metas. Gracias
por ser siempre mi fuente de inspiración.
A mis hermanos por contar siempre con ellos, darme todo su apoyo y
colaboración en todo momento de mi vida.
A una persona muy especial para mí, por siempre apoyarme y
ayudarme en todo momento incondicionalmente, por amarme,
brindarme su compañía y ser una inspiración en mi vida.
. A mi compañero de tesis por brindarme su amistad, su confianza y
su apoyo. Por haber alcanzado nuestra meta.
Alfonso J. Cutillo F.
Primeramente a Dios por iluminar mis pasos y acompañarme durante todo el
tiempo de mi vida y a todos los de arriba que me acompañan siempre.
A mis padres por su dedicación por darme la vida, confianza, amor, mucha
paciencia y todo su apoyo incondicional para seguir adelante además de ser
la base fundamental y soporte principal en el desarrollo de todos los
aspectos de mi vida, en especial la culminación de mi carrera, sin ellos no
creo que lo lograría. Gracias por creer en mí.
A mis hermanas por su, amistad, consejos, amor, confianza y esa seguridad
de que lograría cumplir con esta gran meta.
A mi novia que es esa persona tan especial para mí que siempre estuvo
conmigo apoyándome, dándome fuerzas para que no decayera y siguiera
luchando por mis objetivos, a ella por su amor, compañía, ayuda y apoyo
incondicional.
A mi compañero de tesis por toda la ayuda que de una forma desinteresada
me ofreció.
A mi amigo Franklin López que siempre me ayudó, apoyó, me dio su
consejo y me tendió su mano en los momentos que más lo necesité.
José R. Peña L.
DDeeddiiccaattoorriiaa
RReessuummeenn
La soldadura GMAW es uno de los procesos más utilizados en la actualidad
para la unión de los aceros y de la mayoría de los metales no ferrosos y sus
aleaciones. Entre los tipos de soldadura que comprenden la GMAW está el
proceso de soldado básico MIG el cual incluye tres técnicas o forma de
transferencia muy distintas como lo son: Transferencia por Cortocircuito,
Transferencia Globular y la Transferencia por Arco Rociado; estas técnicas
describen la forma como el metal es transferido desde el alambre (electrodo)
hasta la soldadura, es por ello que surge la necesidad de evaluar la
influencia del modo de transferencia del material de aporte sobre las
propiedades mecánicas y microestructurales del metal base. Para evaluar la
influencia del aporte de material sobre las propiedades mecánicas se
realizaron ensayos de tracción, doblado y microdureza; mientras que para
evaluar las propiedades microestructurales se realizó un análisis de
microscopia óptica. Obteniendo mayores valores de dureza en las juntas
soldadas mediante la transferencia de aporte por corto circuito, mayor
resistencia a la tracción en las juntas soldadas mediante la transferencia por
arco rociado, lo que implica mayor ductilidad en las juntas; y mejor
uniformidad, penetración y distribución del material de aporte en las juntas
soldadas por corto circuito. Se recomienda realizar estudios de las juntas
mediante ensayos de impacto, área de penetración y ensayos de fatiga, para
así tener mayor información acerca de la influencia del modo de aporte de
material en un acero austenítico.
i
ÍÍnnddiiccee ggeenneerraall
Índice general i Índice de figuras iv Índice de tablas vi
Introducción 1 CAPÍTULO I El Problema 3 1.1 Situación problemática, 3 1.2 Planteamiento del problema, 3 1.3 Objetivos, 4 1.3.1 Objetivo General, 4 1.3.2 Objetivos Específicos, 4 1.4 Justificación, 5 1.5 Delimitación, 5 1.6 Limitaciones, 6 1.7 Antecedentes, 6 CAPÍTULO II Marco teórico 11 2.1 Aceros, 11 2.1.1 Concepto, 11 2.1.2 Microestructuras de los aceros, 11 2.1.3 Soldabilidad de los aceros, 17 2.1.3.1 Soldadura por arco eléctrico, 18
2.1.3.2 Elementos presentes en la soldadura por arco eléctrico, 18
Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
ii
2.1.4 Metalurgia de la soldadura, 21 2.1.4.1 Dependencia de la soldabilidad metalúrgica, 21 2.1.5 Calidad de la Soldadura, 22 2.1.6 Fundamentos y teoría de soldadura con arco eléctrico con gas inerte, proceso (GMAW / MIG), 24 2.1.6.1 Descripción general, 25 2.1.6.2 Clasificación AWS para los metales de aporte electrodos de baja aleación de acero para la soldadura de arco protegida por gas, 29 2.1.6.3 Clasificación AWS para los metales de aporte electrodos de acero al carbono para soldadura de arco protegida por gas, 30 2.1.6.4 Control de la porosidad, 31 2.1.6.5 Influencia del gas y el arco de soldadura, 31 2.1.6.6 Equipo para soldadura MIG generador de soldadura, 32 2.1.6.6.1 Beneficios del sistema MIG, 33 2.1.6.7 Técnica de soldadura MIG por corto circuito, 34 2.1.6.8 Técnica de rociado de la soldadura MIG, 35 2.1.6.7 Técnica de deposición globular de la soldadura MIG, 37
CAPÍTULO III Marco metodológico 39 3.1 Nivel de la investigación, 39 3.2 Diseño de la investigación, 40 3.3 Población y muestra, 42 3.4 Materiales y equipos a utilizar, 42 3.5 Herramientas a utilizar, 43 3.6 Procedimiento experimental, 43 3.6.1 Caracterización de los materiales, 43 3.6.2 Preparación de las probetas, 45 3.7 Ensayos experimentales en las probetas soldadas, 48 3.7.1 Ensayo de tracción, 48 3.7.2 Ensayo de doblado, 51 3.7.3 Ensayo metalográfico, 52 3.7.3.1 Estudio Macroscópico, 52 3.7.3.2 Estudio Microscópico, 52 3.7.4 Ensayo de dureza, 53
Índice general
iii
CAPÍTULO IV Análisis de resultados 55 4.1 Resultados de los estudios de tracción, 55 4.2 Análisis del ensayo de tracción, 60 4.3 Resultados del ensayo de doblado, 61 4.4 Análisis del ensayo de doblado, 65 4.5 Estudio de macroscopía, 67 4.6 Análisis del ensayo de macroscopía, 68 4.7 Estudio de microscopía, 69 4.8 Análisis del ensayo de microscopía, 72 4.9 Ensayo de microdureza Vickers, 73 4.10 Análisis del ensayo de microdureza Vickers, 76 CAPÍTULO V Conclusiones y Recomendaciones 77 5.1 Conclusiones, 77 5.2 Recomendaciones, 78 Referencias Bibliográficas 80 Anexos 82
iv
ÍÍnnddiiccee ddee ffiigguurraass
II.1 Diagrama Hierro-Carbono 12 II.2 Estructura de WIDMANSTAETTEN observada en hierro meteorito 16 II.3 Diagrama de Hannemann, que las condiciones de formación de la
estructura Widmanstaetten
16 II.4 Soldadura por arco eléctrico 19 II.5 Zonas afectadas por el calor en una unión soldada 22 II.6 Soldadura metálica con arco eléctrico y gas (GMAW) 25 II.7 Pistola para soldadura metálica con arco eléctrico y gas 26 II.8 Operación realizada mediante el proceso MIG 26 II.9 Técnicas de transferencia del metal hasta la soldadura fundida en
la soldadura MIG
28 II.10 Equipo para soldadura GMAW (MIG) 32 II.11 Técnica de Rociado 36 III.1 Flujograma Experimental 41 III.2 Diseño de la junta 46 III.3 Plano para representar cada porción de lámina para la
elaboración de las probetas.
47 III.4 Maquina de ensayo de tracción 49 III.5 Probeta para el ensayo de tracción 49 III.6 Probeta para el ensayo de doblado 51 III.7 Equipo para ataques electrolíticos marca Electromet. 53 III.8 Microdurómetro de huella de base piramidal marca BUEHLER. 54 IV.1 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas
soldadas mediante el aporte de material por Corto Circuito.
56
Índice de figuras
v
IV.2 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas soldadas mediante el aporte de material de tipo Globular.
56
IV.3 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas soldadas mediante el aporte de material por Arco Rociado.
57
IV.4 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación del material base.
57
IV.5 Gráfica Esfuerzo de Fluencia vs Modos de Aporte. 58 IV.6 Gráfica Esfuerzo Máximo vs Modos de Aporte. 58 IV.7 Comparación del comportamiento entre el Esfuerzo de Fluencia y
el Esfuerzo Máximo.
59 IV.8 Gráfica de Deformación máxima vs. Modo de aporte 59 IV.9 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las probetas
de doblado soldadas mediante el aporte de material por Corto Circuito.
62 IV.10 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las
probetas de doblado soldadas mediante el aporte de material de tipo globular.
62 IV.11 Curva característica de Esfuerzo vs. Deformación de las
probetas de doblado soldadas mediante el aporte de material por Arco Rociado.
63 IV.12 Macroscopía de la probeta soldada con aporte por Corto
Circuito.
67 IV.13 Macroscopía de la probeta soldada con aporte de tipo Globular. 67 IV.14 Macroscopía de la probeta soldada con aporte por Arco
Rociado. 68
IV.15 Microestructura de la probeta soldada con aporte por Corto Circuito
69
IV.16 Microestructura de la probeta soldada con aporte Globular 70 IV.17 Microestructura de la probeta soldada con aporte por Arco
Rociado
71 IV.18 Zonas de estudio de las probetas para microdureza. 73 IV.19 Gráfica de microdureza de la probeta soldada mediante el
aporte por Corto Circuito.
74 IV.20 Gráfica de microdureza de la probeta soldada mediante el
aporte de tipo Globular.
74 IV.21 Gráfica de microdureza de la probeta soldada mediante el
aporte por Arco Rociado.
75 IV.22 Gráfica de Dureza Vickers vs. Modos de aporte de material,
estudiando Cordón de Soldadura y Zona Afectada.
75
vi
ÍÍnnddiiccee ddee ttaabbllaass
II.1 Rangos de corriente óptimos para el cortocircuito con diferentes
diámetros de alambres
34 II.2 Rangos de corriente óptimos para el generar el método de rociado
en la soldadura MIG, con diferentes diámetros de alambres
35 III.1 Composición Química del acero inoxidable AISI 304 44 III.2 Propiedades mecánicas del acero inoxidable AISI 304 44 III.3 Composición química del metal depositado AWS – ER308 45 III.4 Parámetros de soldadura para los distintos modos de
transferencia 46
IV.1 Resultados del ensayo de tracción de probetas soldadas por
GMAW según modo de transferencia
60 IV.2 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas
con aporte de tipo Corto circuito IV.3 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas
con aporte de tipo Globular.
63
64
IV.4 Observaciones del ensayo de doblado para probetas soldadas con aporte de tipo Arco rociado
65
IV.5 Resultados de los ensayos de Dureza en las zonas de estudio para los distintos modos de aporte de material
73
Introducción
En metalurgia, el acero inoxidable se define como una aleación de
acero con un mínimo de 10% de cromo contenido en masa. El acero
inoxidable es resistente a la corrosión, dado que el cromo, u otros metales
que contiene, posee gran afinidad por el oxígeno y reacciona con él
formando una capa pasivadora, evitando así la corrosión del hierro. Sin
embargo, esta capa puede ser afectada por algunos ácidos, dando lugar a
que el hierro sea atacado y oxidado por mecanismos intergranulares o
picaduras generalizadas. Contiene, por definición, un mínimo de 10,5% de
cromo. Algunos tipos de acero inoxidable contienen además otros elementos
aleantes; los principales son el níquel y el molibdeno. La incorporación de
este acero en la industria se debe al desarrollo de nuevas tecnologías de
unión como el proceso de soldadura GMAW (gas metal arc welding) o
Soldadura MIG (metal inert gas) el cual es uno de los más empleados para la
unión de los aceros y de la mayoría de los metales no ferrosos y sus
aleaciones. Su principal característica es la alimentación automática de un
consumible (electrodo continuo), que es protegido externamente por un gas.
El gas de protección en la soldadura GMAW es un elemento significativo y
tercer miembro trípode que conforma el proceso: fuente de poder-material de
aporte-gas de protección. Aunque es reconocido que el gas representa sólo
un pequeño porcentaje en el costo total de producción, su correcta elección
2 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
puede producir ahorros significativos debido a un aumento en la
productividad, calidad una disminución de costos, a través de obtener
cordones de soldadura bien conformados y libres de defectos.
La unión soldada ha de poseer las propiedades físicas y mecánicas
necesarias para desempeñar su función esperada en servicio. Por tal motivo
surge la idea de evaluar la influencia del modo de transferencia del aporte en
un proceso GMAW sobre las propiedades mecánicas y microestructurales de
un acero inoxidable austenítico AISI-304 la influencia del flujo de gas
protector en la unión de juntas soldadas de acero bajo carbono mediante los
procesos arco de rociado, globular y cortocircuito (GMAW). El
comportamiento mecánico resultante se evaluó mediante ensayos de
tracción, ensayos de dureza y posteriormente la observación microscópica de
las condiciones tratadas.
El utilizar este tipo de soldadura sobre el acero al austenítico AISI-304
nos permitió establecer una buena selección de los parámetros de soldadura,
garantizando una buena calidad de los cordones de soldadura
CCAAPPÍÍTTUULLOO II
EEll PPrroobblleemmaa
1.1 Situación problemática
La soldadura MIG es uno de los tipos de soldadura más utilizado en la
actualidad debido a las ventajas y beneficios que este proceso presenta. En
este tipo de soldadura existen diversos medios de transferencia del material
de aporte entre los cuales se tienen el de transferencia por cortocircuito,
transferencia globular y transferencia de arco rociado (Spray), se desea
determinar cuál de estos medios nos ofrece las propiedades mecánicas y
microestructurales más adecuadas sobre el cordón de soldadura realizado
en el acero inoxidable austenítico, para distintas aplicaciones donde se utiliza
cada uno de los modos de transferencia del aporte de material.
1.2 Planteamiento del Problema
La soldadura GMAW (Gas Metal Arc Welding) es uno de los procesos
más utilizados en la actualidad para la unión de los aceros y de la mayoría de
los metales no ferrosos y sus aleaciones. Entre los tipos de soldadura que
comprenden la GMAW está el proceso de soldado básico MIG (Metal Inert
Gas) el cual incluye tres técnicas o forma de transferencia muy distintas
4 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
como lo son: Transferencia por Cortocircuito, Transferencia Globular y la
Transferencia por Arco Rociado (Spray); estas técnicas describen la forma
como el metal es transferido desde el alambre (electrodo) hasta la soldadura.
Una de las principales interrogantes que se presentan al momento de
realizar soldadura MIG sobre un acero inoxidable austenítico es cuál de los
métodos de transferencia es el más adecuado para distintos procesos de
soldadura y también como cada uno de ellos hace variar o no las
propiedades mecánicas y metalográficas del metal. Como en todo proceso,
para la soldadura se busca obtener un proceso óptimo que en este caso
sería un cordón de soldadura resistente y con un mínimo de defectos
(porosidades, grietas).
Debido a estas interrogantes surge la iniciativa o necesidad de
obtener datos experimentales (Dureza, Tenacidad, Cambios en la
microestructura) sobre la forma cómo afecta el modo de transferencia del
aporte en un proceso de soldadura GMAW en las propiedades del metal, y
así poder conocer el comportamiento mecánico y microestructural de un
acero inoxidable austenítico.
1.3 Objetivos
11..33..11 OObbjjeettiivvoo GGeenneerraall
Evaluar la influencia del modo de transferencia del aporte sobre las
propiedades mecánicas y microestructurales en un acero inoxidable
En la soldadura MIG, como su nombre indica, el gas es inerte; no
participa en modo alguno en la reacción de soldadura como podemos
observar en la figura II.6. Su función es proteger la zona crítica de la
soldadura de oxidaciones e impurezas exteriores. Se emplean usualmente
los mismos gases que en el caso de electrodo no consumible, argón, menos
frecuentemente helio, y mezcla de ambos.
El uso de este método de soldadura MIG es cada vez más frecuente
en el sector industrial. En la actualidad, es uno de los métodos más utilizados
en Europa occidental, Estados Unidos y Japón en soldaduras de fábrica. Ello
Capítulo II. Marco Teórico 25
se debe, entre otras cosas, a su elevada productividad y a la facilidad de
automatización, lo que le ha valido para abrirse un lugar en la industria
automovilística. La flexibilidad es la característica más sobresaliente del
método MIG, ya que permite soldar aceros de baja aleación, aceros
inoxidables, aluminio y cobre, en espesores a partir de los 0,5 mm y en todas
las posiciones. La protección por gas garantiza un cordón de soldadura
continuo y uniforme, además de libre de impurezas y escorias. Además, la
soldadura MIG / MAG es un método limpio y compatible con todas las
medidas de protección para el medio ambiente.
Figura II.6. Soldadura metálica con arco eléctrico y gas (GMAW).
Fuente: Trabajo de grado de UMSS, Facultad de Ciencias y Tecnología.
2.1.6.1 Descripción general
La Soldadura metálica con arco eléctrico y gas o Soldadura MIG
(metal inert gas) es también conocida como Gas Arco Metal o MAG. La
soldadura metálica con arco eléctrico y gas (en inglés gas metal arc welding,
GMAW) es un proceso en el cual el electrodo es un alambre metálico
desnudo consumible y la protección se proporciona inundando el arco
eléctrico con un gas. El alambre desnudo se alimenta en forma continua y
automática desde una bobina a través de la pistola de soldadura, como se
ilustra en la figura II.7 y la figura II.8 se muestra una pistola de soldadura. En
la GMAW se usan diámetros de alambre que van desde 0,8 a 6,4 mm, el
26 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
tamaño depende del grosor de las partes que se van a unir y la velocidad de
deposición deseada.
Para protección se usan gases inertes como el argón y el helio y
también gases activos como el dióxido de carbono. La elección de los gases
(y sus mezclas) dependen del material que se va a soldar, al igual que de
otros factores. Se usan gases inertes para soldar aleaciones de aluminio y
aceros inoxidables, en tanto que normalmente se usa C02 para soldar aceros
al bajo y mediano carbono. La combinación del alambre de electrodo
desnudo y los gases protectores eliminan el recubrimiento de escoria en la
gota de soldadura y, por tanto, evitan la necesidad del esmerilado y limpieza
manual de la escoria. Por tal razón, el proceso de GMAW y gas es ideal para
hacer múltiples pasadas de soldadura en la misma unión.
Figura II.7 Pistola para soldadura metálica con arco eléctrico y gas.
Fuente: Trabajo de grado de UMSS, Facultad de ciencias y Tecnología.
Figura II.8 Operación realizada mediante el proceso MIG.
Fuente: Trabajo de grado de UMSS, Facultad de ciencias y Tecnología.
Capítulo II. Marco Teórico 27
Los diferentes metales en los que se usa la soldadura GMAW y las
propias variaciones del proceso han dado origen a diferentes nombres. La
primera vez que se introdujo el proceso a fines de los años cuarenta del siglo
XX, se aplicó a la soldadura de aluminio usando un gas inerte (argón) para
protección del arco eléctrico. Este proceso recibió el nombre de soldadura
metálica con gas inerte (en inglés MIG welding, metal inert gas welding).
Cuando este proceso de soldadura se aplicó al acero, se encontró que los
gases inertes eran costosos y se usó C02 como sustituto. Por tanto, se aplicó
el término de soldadura con C02. Algunos refinamientos en el proceso para la
soldadura del acero condujeron, al uso de mezclas de gases, incluyendo
dióxido de carbono y argón, e incluso oxígeno y argón.
El proceso MIG opera en DC (corriente continua) usualmente con el
alambre como electrodo positivo. Esto es conocido como "Polaridad
Negativa" (reverse polarity). La "Polaridad Positiva" (straight polarity) es
raramente usada por su poca transferencia de metal de aporte desde el
alambre hacia la pieza de trabajo. Las corrientes de soldadura varían desde
unos 50 Amperios hasta 600 Amperios en muchos casos en voltajes de 15V
hasta 32V, un arco auto-estabilizado es obtenido con el uso de un sistema de
fuente de poder de potencial constante (voltaje constante) y una alimentación
constante del alambre.
Continuos desarrollos al proceso de soldadura MIG lo han convertido
en un proceso aplicable a todos los metales comercialmente importantes
como el acero, aluminio, acero inoxidable, cobre y algunos otros. Materiales
por encima de 0,76 mm de espesor pueden ser soldados en cualquier
posición, incluyendo de piso, vertical y sobre cabeza. Es muy simple escoger
el equipo, el alambre o electrodo, el gas de la aplicación y las condiciones
óptimas para producir soldaduras de alta calidad a muy bajo costo.
28 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
El proceso básico MIG incluye tres técnicas muy distintas:
Transferencia por "Corto circuito", transferencia "Globular" y la transferencia
de "Arco Rociado" (Spray Arc). Estas técnicas describen la manera en la cual
el metal es transferido desde el alambre hasta la soldadura fundida.
Figura Il.9. Técnicas de transferencia del metal hasta la soldadura fundida en la soldadura
MIG.
En la transferencia por corto circuito, también conocido como "Arco
Corto", "Transferencia espesa" y "Micro Wire", la transferencia del metal
ocurre cuando un corto circuito eléctrico es establecido, esto ocurre cuando
el metal en la punta del alambre hace contacto con la soldadura fundida.
En la transferencia por rociado (spray arc), diminutas gotas de metal
fundido llamadas "Moltens" son arrancadas de la punta del alambre y
proyectadas por la fuerza electromagnética hacia la soldadura fundida.
En la transferencia globular el proceso ocurre cuando las gotas del
metal fundido son lo suficientemente grandes para caer por la influencia de la
fuerza de gravedad. Los factores que determinan la manera en que los
moltens son transferidos son la corriente de soldadura, el diámetro del
alambre, la distancia del arco (voltaje), las características de la fuente de
poder y el gas utilizado en el proceso.
Capítulo II. Marco Teórico 29
La soldadura MIG es un proceso versátil, con el cual se puede
depositar soldadura a un rango muy alto y en cualquier posición. El proceso
es ampliamente usado en láminas de acero de bajo y mediano calibre de
fabricación y sobre estructuras de aleación de aluminio particularmente
donde existe un alto requerimiento de trabajo manual o trabajo de soldador.
Desde su aparición en el mundo de la soldadura, todas las agencias de
regulación y clasificación de los metales de aporte tomaron muy en serio este
proceso y la creación de su propio código de clasificación fue indispensable,
en el caso de la Sociedad Americana de Soldadura AWS, se crearon dos
códigos por separado, uno para las aleaciones de bajo contenido de carbono
o también conocido como acero dulce y uno para las aleaciones de alto
contenido de carbono o donde la composición química final del material
aportado fuera cambiada de forma dramática.
2.1.6.2 Clasificación AWS para los metales de aporte electrodos de baja
aleación de acero para soldadura de arco protegida por gas
ERl - XXX2 S3 - XXX4
1.- Las primeras dos letras identifican como alambre o varilla desnuda
2.- Los tres primeros números indican la resistencia a la tracción en miles de
libra/in2 La letra intermedia indica que el tipo de alambre es sólido.
3.- Los últimos tres dígitos indican la Composición química del alambre lo
que determina la ejecución correcta de este proceso es:
La fluidez de la soldadura fundida.
La forma del cordón de la soldadura y sus bordes.
La chispa o salpicaduras que genera (Spatter).
30 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
2.1.6.3 Clasificación AWS para los metales de aporte electrodos de acero al
carbono para soldadura de arco protegida por gas
ER1- XX2 S3 -X4
1.- Las primeras dos letras identifican como alambre o varilla desnudas
2.- Los tres primeros números indican la resistencia a la tracción en miles de
libra/in2
3.- La letra intermedia indica que el tipo de alambre es sólido.
4.- Composición química del alambre
Un buen procedimiento de soldada está caracterizado por la poca
presencia de porosidad, buena fusión, y una terminación libre de grietas o
quebraduras. La porosidad, es una de las causas más frecuentemente
citadas de una soldadura pobremente ejecutada, es causada por el exceso
de oxígeno de la atmósfera, creada por el gas usado en el proceso y
cualquier contaminación en el metal base, que, combinado con el carbono en
el metal soldado forma diminutas burbujas de monóxido de carbono (CO).
Algunas de estas burbujas de CO pueden quedar atrapadas en la soldadura
fundida después que se enfría y se convierten en poros mejor conocidos
como porosidad.
2.1.6.4 Control de la porosidad
Una suficiente desoxidación del cordón de soldadura es necesaria
para minimizar la formación de monóxido de carbono CO y, por consiguiente,
la porosidad. Para lograr esto, algunos fabricantes han desarrollado
alambres que contienen elementos con los cuales el oxígeno se combina
preferentemente al carbono para formar escorias inofensivas. Estos
Capítulo II. Marco Teórico 31
elementos, llamados desoxidantes, son manganeso (Mn), silicón, titanio (Ti),
aluminio (Al), y zirconio (Zr).
Aluminio, titanio y zirconio son los desoxidantes más poderosos,
quizás cinco veces más efectivos que el manganeso y el silicón, no obstante
estos últimos dos elementos afectan de manera especial el proceso y por
eso no son ampliamente utilizados, las cantidades de manganeso podrían
variar desde 1,10% hasta 1,58% y en el caso del silicón desde un 0,52%
hasta 0,87%.
2.1.6.5 Influencia del gas y el arco de la soldadura
El uso de Anhídrido Carbónico (C02) causa más turbulencias en la
transferencia del metal del alambre al metal base con la tendencia a crear
cordones de soldadura más abultados y un alto incremento de las
salpicaduras.
Las mezclas de gases con bases de Argón (Ar) proveen transferencias
de metales más estables y uniformes, buena forma del cordón de soldadura
y las salpicaduras son reducidas al mínimo, además de un rango más bajo
en la generación de humo.
2.1.6.6 Equipo para la soldadura MIG generador de soldadura
Los generadores más adecuados para la soldadura por el
procedimiento MIG son los rectificadores y los convertidores (aparatos de
corriente continua). La corriente continua con polaridad inversa mejora la
fusión del hilo, aumenta el poder de penetración, presenta una excelente
acción de limpieza y es la que permite obtener mejores resultados.
32 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
En la soldadura MIG, el calor se genera por la circulación de corriente
a través del arco, que se establece entre el extremo del hilo electrodo y la
pieza. La tensión del arco varía con la longitud del mismo. Para conseguir
una soldadura uniforme tanto la tensión como la longitud del arco deben
mantenerse constantes. En principio, esto podemos lograrIo de dos formas;
(1) Alimentando el hilo a la misma velocidad con que éste se va fundiendo; o
(2), fundiendo el hilo a la misma velocidad con que se produce la
alimentación. A continuación se presenta el diagrama esquemático del
equipo MIG.
Figura II.10. Equipo para soldadura GMAW (MIG). Fuente: Trabajo de grado de UMSS, Facultad de ciencias y Tecnología.
Capítulo II. Marco Teórico 33
1.Una máquina soldadora.
2. Un alimentador que controla el avance del alambre a la velocidad
requerida.
3. Una pistola de soldar para dirigir directamente el alambre al área de
soldadura.
4. Un gas protector para evitar la contaminación del baño de fusión.
5. Un carrete de alambre del tipo y diámetro especificado.
2.1.6.6.1 Beneficios del sistema MIG.
1. No genera escoria.
2. Alta velocidad de deposición.
3. Alta eficiencia de deposición.
4. Fácil de usar.
5. Mínima salpicadura.
6. Aplicable a altos rangos de espesores.
7. Baja generación de humos.
8. Es económica.
9. La pistola y los cables de soldadura son ligeros haciendo más fácil su
manipulación.
10. Es uno de los más versátiles entre todos los sistemas de soldadura.
2.1.6.7 Técnica de soldadura MIG por corto circuito
La soldadura MIG por la técnica de corto circuito se obtiene usando un
alambre de bajo calibre de 0,76 mm (0,030 pulg.) hasta 1,1 mm (0,045 pulg.)
de diámetro y la operación se efectúa con un arco más corto (bajo voltaje) y
34 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
corriente mas baja. El producto final es un cordón de soldadura más reducido
que se enfría más rápido.
Esta técnica de soldadura es particularmente útil para juntar materiales más
delgados en cualquier posición, así como materiales más gruesos en
posición vertical y sobre cabeza, también para rellenar grandes cavidades.
La técnica de soldadura por corto circuito debería ser usada donde sea
requerido evitar la distorsión de la pieza a ser soldada.
El metal es transferido desde el alambre a la soldadura fundida sólo
cuando se establece el contacto entre éstos, o cada vez que ocurra un corto
circuito. El alambre hace cortocircuito con la pieza de 20 a 200 veces por
segundo.
Al momento que el alambre toca la soldadura fundida, la corriente
comienza a incrementarse hasta alcanzar el punto de corto circuito, entonces
el metal es transferido, se enciende el arco pero como el alambre es
alimentado más rápido de lo que en realidad se puede fundir, eventualmente
el arco es apagado (extinguido) por otro corto circuito.
Tabla N° II.1: Rangos de corriente óptimos para el cortocircuito con diferentes diámetros de alambres
Diámetro del electrodo Corriente en Amperios
mm pulgadas Mínimo Máximo
0,076 0,030 50 150
0,090 0,035 75 175
1,1 0,045 100 225
Fuente: Trabajo de investigación "Técnica de cortocircuito en la soldadura MIG"
Para asegurar la buena estabilidad del arco, cuando se usa esta
técnica, debe ser empleada una corriente de soldadura relativamente baja, la
Capítulo II. Marco Teórico 35
tabla II.1 ilustra los rangos de corriente óptimos para el corto circuito con
diferentes diámetros de alambres, estos rangos pueden ser una referencia
dependiendo del gas seleccionado.
2.1.6.8 Técnica de rociado de la soldadura MIG
Elevando los niveles de corriente y voltaje más allá de los límites de la
soldadura por corto circuito y la globular, la transferencia del metal se
convierte en un arco eléctrico que produce un rocío de metal (Spray Arc). La
corriente mínima con la cual esto ocurre es llamada "corriente de transición",
en la tabla II.2 presentamos algunos parámetros de corriente mínima de
transición empleados para este método de transferencia.
Tabla Il.2. Rangos de corriente óptimos para el generar el método de rociado en la soldadura MIG, con diferentes diámetros de alambres.
Tipo de electrodo Diámetro del Alambre Gas Protector Corriente Mínima de transición en
(Alambre) Mm Pulg. (Amp)
Bajo Carbón 0,89 0,035 98%Argón-2%oxy 165
Bajo Carbón 1,1 0,045 98%Argón-2%oxy 220
Bajo Carbón 1,3 0,052 98%Argón-2%oxy 240
Fuente: Trabajo de investigación "Técnica de Rociado en la soldadura MIG"
36 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Figura II.11: Técnica de Rociado: (Muestra la fina columna del alambre, la punta afinada por el rociado y las gotas de metal del alambre (Moltens) son reducidas en diámetro dejando la posibilidad de un arco estable, sólo en raros casos esta técnica produce corto circuito y las
salpicaduras son muy poco asociadas con esta técnica de soldadura).
La soldadura por rociado puede producir altos rangos de deposición
de soldadura, esta técnica de soldadura es generalmente usada para juntar
materiales de 2,4 mm (3/32 pulg. de espesor) en adelante, excepto en las
aplicaciones sobre aluminio o cobre, la soldadura por rociado esta
generalmente restringida para la posición de piso por el monto de la
soldadura fundida liquida que maneja, sin embargo, acero de bajo carbono
puede ser soldado en otras posiciones con esta técnica cuando los cordones
de soldadura son más delgados; generalmente con alambres de 0,089 mm.
(0,035 pulg.) o 1.1 mm (0,045 pulg.) de diámetro.
Existe una variación de la técnica de rociado conocida como
"Soldadura de Arco Rociado Pulsada" también conocida como soldadura
pulsada. En la soldadura pulsada, la corriente es variada entre los valores
bajos y altos, la baja corriente está por debajo de la corriente de transición,
mientras que el valor alto se mantiene bien dentro de la región de arco
Capítulo II. Marco Teórico 37
rociado. El metal de aporte es sólo transferido al metal base durante el
periodo de alta corriente.
Usualmente una cantidad de metal rociado llamado "Doplef" es
transferida durante cada periodo de corriente alta. Dado que el periodo de
corriente está dentro de la región de arco rociado, la estabilidad del arco con
esta técnica es muy similar a la de la soldadura por rociado convencional. El
periodo de baja corriente mantiene el arco y sirve para reducir la corriente
promedio, por consiguiente, la técnica de rociado pulsado produciría un arco
rociado a un promedio de corriente más baja de la requerida para el rociado
convencional. El promedio bajo hace posible lograr soldaduras en materiales
más delgados, con técnica de rociado, usando alambres más gruesos, que
en cualquier otro caso sería imposible. La soldadura de arco pulsado puede
también ser usada en materiales pesados y en posiciones especiales
2.1.6.9 Técnica de deposición globular de la soldadura MIG
En tanto que la corriente y el voltaje de soldadura son incrementados
por encima del máximo recomendado para la soldadura de arco por la
técnica de corto circuito, el metal transferido comienza a tener una apariencia
diferente, esta técnica es comúnmente conocida como transferencia globular.
Usualmente las gotas de metal o moltens superan en diámetro al alambre
mismo haciéndolas tan pesadas que se desprenden cayendo ayudadas por
el efecto de la gravedad.
Esta técnica es muy poco usada por su dependencia de la posición de
piso, ya que depende de la gravedad para completar el efecto de la técnica,
este modo de soldar podría ser errático en ciertas aplicaciones y presenta
muchas veces salpicaduras y los cortos circuitos del alambre son muy
38 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
comunes, restando tiempo al proceso, no obstante algunos han logrado
estabilizar el proceso convirtiéndolo en una técnica alternativa en
aplicaciones especiales.
La soldadura MIG es uno de los tipos de soldadura más utilizado en la
actualidad debido a las ventajas y beneficios que este proceso presenta. En
este tipo de soldadura existen diversos medios de transferencia del material
de aporte entre los cuales se tienen el de transferencia por cortocircuito,
transferencia globular y transferencia de arco rociado (Spray), se desea
determinar cuál de estos medios nos ofrece las propiedades mecánicas y
microestructurales más adecuadas sobre el cordón de soldadura realizado
en el acero inoxidable austenítico, para distintas aplicaciones donde se utiliza
cada uno de los modos de transferencia del aporte de material.
CCAAPPÍÍTTUULLOO IIIIII
MMaarrccoo MMeettooddoollóóggiiccoo
3.1 Nivel de la investigación
La estrategia utilizada para solucionar el problema planteado estuvo
dentro de la investigación descriptiva y experimental. Descriptiva la cual
consiste en la caracterización de un hecho, fenómeno, individuo o grupo, con
el fin de establecer su estructura o comportamiento, no se limita a la
recolección de datos, sino a la predicción e identificación de las relaciones
que existen entre dos o más variables, debido a que se pretende estudiar la
influencia del modo de transferencia de material de aporte sobre las
propiedades mecánicas y microestructurales de la junta soldada; y
Experimental debido a que para evaluar las propiedades de las juntas
soldadas del acero inoxidable austenítico AISI - 304 se realizaron ensayos
experimentales a las mismas, variando el modo de transferencia del material
de aporte; los cuales son:
Transferencia por Cortocircuito.
Transferencia Globular.
Transferencia por Arco Rociado.
40 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
Las juntas provenientes del metal base AISI – 304 fueron soldadas a
tope, a las mismas se les realizó un bisel a 60º, para un espesor de lamina
de 6mm. Se utilizó como material de aporte un alambre AWS - ER308. El gas
de protección que se utilizó fue el mismo para realizar todos los cordones, y
se restringió a 100% Argón, ya que el estudio se enfocó en los efectos de la
variación del modo de transferencia del material de aporte sobre las juntas
soldadas.
Los parámetros de soldadura establecidos se obtuvieron al realizar
varias pruebas con la máquina de soldar ya que la misma por defecto, ajusta
los valores, de acuerdo a su mejor rendimiento.
De este modo, Los parámetros de soldadura establecidos son:
Voltaje
Intensidad de Corriente
Longitud de arco
Caudal de gases
Velocidad de soldeo
Velocidad de alimentación del alambre
Tipo de transferencia
3.2 Diseño de la investigación
Para alcanzar los objetivos planteados en este trabajo se siguieron
tantos los lineamientos de una investigación documental, como los de una
investigación experimental, es decir se recurrió a la revisión bibliográfica y a
la realización de ensayos normalizados.
Capítulo III. Marco Metodológico 41
Para lograr los objetivos enmarcados en esta investigación es
necesario establecer un plan de trabajo en el cual se puede observar los
pasos a realizar como se indican a continuación:
Figura III.1 Flujograma experimental
Caracterización de los materiales a utilizar
Caracterización del material base
Lamina de acero inoxidable AISI - 304
Caracterización del material de aporte
Alambre de acero inoxidable AWS – ER308
Diseño y preparación de juntas
Proceso de soldadura GMAW
Parámetros de soldadura
Voltaje
Intensidad de Corriente
Longitud de arco
Gas protector
Caudal de gases
Velocidad de soldeo
Velocidad de alimentación del alambre
Modo de transferencia del aporte
A. Transferencia por cortocircuito.
B. Transferencia Globular.
C. Transferencia por Arco
Rociado
Preparación de Probetas
A. Cortocircuito; 5 tracción, 1 dureza, macro y microscopía, 3 doblado.
B. Globular; 5 tracción, 1 dureza, macro y microscopía, 3 doblado.
C. Arco rociado; 5 tracción, 1 dureza, macro y microscopía, 3 doblado.
D. Ensayo de tracción Ensayo de microscopía Ensayo de Doblado
Ensayo de dureza
Conclusiones
Recomendaciones
Análisis de resultados
42 Influencia del modo de transferencia del aporte en un proceso GMAW sobre las propiedades
mecánicas y microestructurales de un acero inoxidable austenítico AISI 304
3.3 Población y muestra
En el presente trabajo la población se encuentra representada por el
acero inoxidable austenítico AISI 304. Las muestras estuvieron constituidas
por 27 probetas en total; de las cuales 15 para el ensayo de tracción, 9
probetas para ensayo de doblado y 3 probetas para el estudio metalográfico
y para ensayo de microdureza. Por lo que se tiene que para cada modo de
transferencia del aporte se tuvo un total de 9 probetas distribuidas de la
siguiente manera, 5 para el ensayo de tracción, 3 para el ensayo de doblado
y 1 para el estudio metalográfico y microdureza.
3.4 Materiales y equipos a utilizar
1. Lámina de acero inoxidable AISI 304 de dimensiones 1400 mm x 340
mm x 6 mm.
2. Electrodos AWS – ER308 de 0,9 mm de diámetro
3. Máquina de soldar Lincoln Electric modelo Powertec 300C por arco
metálico con protección gaseosa GMAW.
4. Equipo Galdabini para el ensayo de tracción y doblado.
5. Microdurómetro Vickers.
6. Equipo para ataque electrolítico marca ElecroMet.
7. Microscopios ópticos
8. Pulidora metalográfica.
9. Esmeril angular.
Capítulo III. Marco Metodológico 43
10. Guillotina.
11. Mandril macho y hembra para el ensayo de doblado.
12. Cámara digital.
3.5 Herramientas a utilizar
1. Vernier, tiza para metal, lentes protectores, bata de laboratorio,
guantes, entre otros.
2. Papeles de lija de finura de grano creciente: 120, 240, 280, 320, 400,