Procesos Soldadura Tig

TESIS PUCP

Esta obra ha sido publicada bajo la licencia Creative CommonsReconocimiento-No comercial-Compartir bajo la misma licencia 2.5 Per.Para ver una copia de dicha licencia, visitehttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-sa/2.5/pe/

PONTIFICIA UNIVERSIDAD CATLICA DEL PER

FACULTAD DE CIENCIAS E INGENIERA

EVALUACIN DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA TIGCON Y SIN MATERIAL DE APORTE EN PLANCHAS DEACERO ESTRUCTURAL

Tesis para optar el Ttulo de Ingeniero Mecnico , que presenta el bachiller:

Jorge Elas Pajuelo Cspedes

ASESOR: Dr. Paul Pedro Lean Sifuentes

Lima, noviembre del 2009

2009, Jorge Elas Pajuelo Cspedes

Se autoriza la reproduccin total o parcial,con fines acadmicos a travs de cualquiermedio o procedimiento, incluyendo la citabibliogrfica del documento.

Resumen

El presente trabajo muestra el estudio comparativo del proceso de soldadura GTAW,ms conocido como TIG, empleado en la unin de planchas de dos milmetros deespesor, de acero estructural ASTM A36. El objetivo principal de esta tesis es el decomparar las caractersticas y propiedades de las uniones soldadas con y sin materialde aporte utilizando el proceso GTAW.

Para el estudio se hicieron cuatro cupones, dos sin material de aporte con una y dospasadas, y los otros dos cupones empleando el aporte ER70S6 con una y dospasadas.

El estudio de las caractersticas y propiedades de los cupones soldados se realiz atravs de ensayos de traccin, ensayos de microdureza Vickers, ensayos de doblado ypor ltimo metalografa y caracterizacin microestructural a las probetas obtenidas delos cupones soldados y del material base utilizado.

En los ensayos de traccin los resultados de las probetas soldadas sin material deaporte con una pasada alcanzaron ligeramente mayores valores en esfuerzo mximo,en esfuerzo de fluencia y en elongacin. En los ensayos de microdureza Vickers lasprobetas sin material de aporte alcanzaron durezas en el centro de la soldadurasimilares las probetas soldadas con material de aporte. En los ensayos de doblado,tanto de cara como de raz, todas las probetas pasaron las pruebas.

Sobre la base de los resultados obtenidos se concluy que para este caso de unin deplanchas de acero ASTM A36 de 2 milmetros de espesor mediante soldadura GTAW,se puede utilizar cualquiera de los dos mtodos, con material de aporte o sin materialde aporte. El proceso sin material de aporte con una sola pasada resulta msventajoso, pues cumple con las propiedades mecnicas requeridas alcanzandoexcelentes valores y es beneficioso porque disminuye costos al no utilizar material deaporte y al aumentar la velocidad de soldeo.

A Elas, Mara, Jos y Martha, mi familia,

por su eterno apoyo, confianza y gua .

AGRADECIMIENTOS

Al Dr. Paul Lean Sifuentes, por guiarme a lo largo de esta investigacin para lograr laculminacin exitosa de la tesis.

Al Laboratorio de Materiales en especial al Ing. Scrates Cutipa Castelo, a quienagradezco instruccin, apoyo y buen humor.

A todas las personas que de alguna manera me ayudaron en la realizacin de estatesis.

NDICE

CAPTULO I: INTRODUCCIN ......................................................................................3CAPTULO II: EL ESTADO DEL ARTE ..........................................................................52.1. PROCESOS DE SOLDADURA EN ACEROS DE BAJO CARBONO.................52.1.1. Proceso OFW (Oxygen Fuel Gas Welding) .................................................52.1.1.1. Tipo de llama..........................................................................................52.1.1.2. Ventajas del proceso OFW ....................................................................62.1.1.3. Desventajas del proceso OFW...............................................................62.1.2. Proceso SMAW (Shield Metal Arc Welding) .................................................72.1.2.1. Ventajas del proceso SMAW..................................................................72.1.2.1. Desventajas del proceso SMAW............................................................72.1.3. Proceso GMAW (Gas Metal Arc Welding) ...................................................82.1.3.1. Electrodo ................................................................................................82.1.3.2. Tipo de transferencia del material de aporte..........................................82.1.3.3 El gas protector ......................................................................................92.1.3.4 Ventajas del proceso GMAW .................................................................92.1.3.5. Desventajas del proceso GMAW .........................................................102.1.4. Proceso GTAW (Gas Tungsten Arc Welding) .............................................102.1.4.1. El gas de proteccin............................................................................112.1.4.2. Los electrodos .....................................................................................112.1.4.3. Material de aporte ...............................................................................112.1.4.4. Ventajas del proceso GTAW ...............................................................122.1.4.5. Desventajas del proceso GTAW .........................................................122.1.5. Proceso SAW (Sumerged Arc Welding)......................................................132.1.5.1. Fundente .............................................................................................132.1.5.2. Ventajas del proceso SAW..................................................................132.1.5.3. Desventajas del proceso SAW............................................................142.1.6. Conclusiones...............................................................................................142.2. ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIN .............................................152.2.1. Microconstituyentes de los aceros al carbono ............................................162.2.1.1. Ferrita () .............................................................................................162.2.1.2. Cementita (Fe3C) .................................................................................172.2.1.3. Perlita (P) .............................................................................................172.2.1.4. Austenita () .........................................................................................182.2.1.5. Bainita ..................................................................................................192.2.1.6. Martensita.............................................................................................202.2.2. Clasificacin de los aceros de bajo carbono ...............................................202.2.2.1. Uso del acero segn su contenido en carbono ....................................212.2.2.2. Designacin de los aceros ...................................................................212.2.3. Propiedades mecnicas..............................................................................232.2.3.1. Resistencia...........................................................................................232.2.3.2. Ductilidad..............................................................................................242.2.3.3. Dureza..................................................................................................252.2.4. Tratamientos trmicos de los aceros de bajo carbono................................262.2.4.1. Recocido ..............................................................................................262.2.4.2. Normalizado .........................................................................................272.2.4.3. Templado .............................................................................................282.2.4.4. Revenido ..............................................................................................282.2.4.5. Proceso de soldadura y tratamiento trmico........................................282.3. SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS DE BAJO Y MEDIO CARBONO ...............29

22.3.1. Soldabilidad de los aceros de bajo carbono................................................292.3.2. Soldabilidad de los aceros de medio carbono.............................................29CAPTULO III: PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ...................................................303.1. Preparacin de cupones ....................................................................................303.1.1 Caractersticas nominales del material base................................................303.1.2. Equipamiento de soldadura ........................................................................313.1.2.1 Mquina de soldadura GTAW ...............................................................313.1.3. Consumibles ...............................................................................................323.1.3.1. Material de aporte ................................................................................323.1.3.2. Gas de proteccin ................................................................................333.1.4. Ejecucin de uniones ..................................................................................333.1.4.1. Elaboracin de juntas...........................................................................333.1.4.2. Procedimiento de soldeo......................................................................353.2. Tcnicas de caracterizacin de las uniones ......................................................373.2.1. Caracterizacin mecnica ...........................................................................373.2.1.1. Ensayo de traccin...............................................................................373.2.1.2. Ensayo de microdureza Vickers...........................................................413.2.1.3. Ensayo de doblado...............................................................................443.2.2. Caracterizacin microestructural.................................................................453.2.2.1. Metalografa .........................................................................................45CAPTULO IV: RESULTADOS Y ANLISIS DE RESULTADOS .................................474.1. Ensayo de traccin.............................................................................................474.1.1. Material base...............................................................................................474.1.2. Uniones sin material de aporte 1 pasada.................................................474.1.3. Uniones sin material de aporte 2 pasadas ...............................................484.1.4. Uniones con material de aporte 1 pasada ...............................................494.1.5. Uniones con material de aporte 2 pasadas..............................................504.1.6. Discusin de resultados de los ensayos de traccin de las unionessoldadas................................................................................................................514.2. Ensayo de microdureza Vickers.........................................................................534.2.1. Uniones sin material de aporte 1 pasada (Probeta 1)..............................534.2.2. Uniones sin material de aporte 2 pasadas (Probeta 2) ............................544.2.3. Uniones con material de aporte 1 pasada (Probeta 3).............................564.2.4. Uniones con material de aporte 2 pasadas (Probeta 4)...........................574.3. Ensayo de doblado ............................................................................................604.4. Metalografa .......................................................................................................614.4.1. Probeta sin material de aporte 1 pasada .................................................624.4.2. Probeta sin material de aporte 2 pasadas................................................664.4.3. Probeta con material de aporte 1 pasada ................................................704.4.4. Probeta con material de aporte 2 pasadas ..............................................74CONCLUSIONES .........................................................................................................78BIBLIOGRAFA .............................................................................................................79

3CAPTULO I: INTRODUCCIN

En la actualidad los procesos de soldadura son imprescindibles para el hombre, estosintervienen en muchas de las construcciones modernas que exigen buena resistenciay economa en su diseo.

Normalmente cuando se habla de soldadura se relaciona con el empleo de material deaporte; pero se sabe que hay procesos en los que bajo determinadas circunstancias,no se emplea material de aporte, bsicamente debido a que los materiales basepresentan espesores delgados. Hay muchos ejemplos en los cuales, aceros deespesores delgados son soldados con aporte, como la unin que se presenta en lafigura 1.

Uninsoldada

Figura 1. Unin soldada del pasamanos del segundo piso de la seccinIngeniera Mecnica.

El proceso de soldadura GTAW (Gas Tungsten Arc Welding), tambin conocido comoTIG, es muy utilizado en la actualidad para uniones de planchas delgadas. Esteproceso puede realizarse de dos formas, la primera utilizando material de aporte, y la

4otra sin utilizar material de aporte. En la actualidad el proceso GTAW ms utilizado esel que emplea material de aporte, pero el proceso de soldadura GTAW sin material deaporte, que cumpla con las propiedades mecnicas requeridas, sera ideal por laventaja econmica que representa.

El trabajo que se presenta a continuacin se realiz para obtener informacin de lascaractersticas y propiedades de las uniones soldadas empleando el proceso GTAW,con y sin material de aporte, con la finalidad de obtener resultados que lleven a unaeleccin del mtodo de soldeo GTAW ptimo para planchas delgadas de aceroestructural.

5CAPTULO II: EL ESTADO DEL ARTE

2.1. PROCESOS DE SOLDADURA EN ACEROS DE BAJO CARBONO

En la actualidad hay diversos procesos de soldeo con los que se consigue unir losaceros al carbono, cada uno de ellos tienen sus propias ventajas y desventajas comose muestra a continuacin:

2.1.1. Proceso OFW (Oxygen Fuel Gas Welding)

En este proceso de soldadura se eleva la temperatura del metal base hasta permitirque el metal de fusin, que proviene del material de aporte, fluya fcilmente sobre lasuperficie. El proceso se aprecia en la figura 2.1. La combustin del acetileno enpresencia del oxgeno es la que permite que la temperatura alcance aproximadamente3200C.

Figura 2.1. Proceso de soldadura OFW [1]

2.1.1.1. Tipo de llama

Para soldar planchas delgadas de acero de bajo carbono se utiliza una llama neutra,sta es cuando se alimenta con iguales volmenes de oxgeno y acetileno a bajapresin. Las zonas que presenta la llama se muestra en la figura 2.2, aprecindose lazona de trabajo donde alcanza 3200C.

6

Figura 2.2. Llama del proceso de soldadura OFW [1]

2.1.1.2. Ventajas del proceso OFW

Es un proceso verstil utilizado para soldar y cortar.

El equipo es de bajo costo y es econmicamente aceptable para lminasdelgadas y piezas pequeas.

Este proceso de soldadura puede ser con o sin metal de aporte.

No se tiene que remover escoria, slo se requiere una pequea limpieza con

escobilla.

2.1.1.3. Desventajas del proceso OFW

Con este proceso no se protege al cordn de soldadura de la presencia dehidrgeno, oxgeno y nitrgeno.

Deforma la plancha por la gran cantidad de calor aportado.

El metal base puede perder caractersticas metalrgicas por el aporte de calory la permanencia de ste

Es un proceso de soldadura lento en cuanto a su velocidad de deposicin.

72.1.2. Proceso SMAW (Shield Metal Arc Welding)

En este proceso de soldadura, el arco elctrico se produce entre el metal base y unelectrodo revestido alcanzando temperaturas cercanas a 4000C. Al fundirse elextremo del electrodo, se quema el recubrimiento obtenindose una atmsferaadecuada para la soldadura. Las gotas de metal fundido caen recubiertas de escoriafundida, sta flota en la superficie formando una capa protectora. El proceso semuestra en la figura 2.3.

Figura 2.3. Proceso de soldadura SMAW [1]

2.1.2.1. Ventajas del proceso SMAW

Fuente de poder econmica y porttil.

Este mtodo es til por su simplicidad y bajo precio.

Permite la soldadura en todas las posiciones.

Es aplicable a la mayora de metales y aleaciones de uso industrial.

Protege el material de aporte del medio ambiente y es menos sensible al

viento.

2.1.2.1. Desventajas del proceso SMAW

El proceso es no automatizable.

Tasa de deposicin baja, por tener que retirar escoria y cambio de electrodos.

No es aplicable a metales de bajo punto de fusin ni a los metales sensibles ala oxidacin.

Este procedimiento no es adecuado para espesores menores a 3,0 mm.

82.1.3. Proceso GMAW (Gas Metal Arc Welding)

En este proceso, tambin conocido como MIG/MAG, la fusin es producida por unarco entre el extremo del electrodo consumible aportado continuamente y el metalbase. La proteccin se obtiene por los gases suministrados junto con el metal deaporte. El proceso se aprecia en la figura 2.4.

Figura 2.4 Proceso GMAW [1]

Para la soldadura aceros de bajo espesor se puede usar el proceso MAG (MetalActive Gas). Se emplea CO2 como gas protector, ste participa de forma activa en lasoldadura. Se utiliza para metales ferrosos.

2.1.3.1. Electrodo

Se emplea un electrodo consumible en forma de alambre. ste llega hasta la zona deaplicacin por el mismo camino que el gas protector.

2.1.3.2. Tipo de transferencia del material de aporte

Para bajos espesores es apropiado usar corto circuito pues usa los amperajes msbajos. Para mayores espesores se puede emplear transferencia spray o pulsada. Latransferencia globular no se emplea. Los diferentes tipos de transferencia se aprecianen la figura 2.5.

9

spray

corto circuito

globular

pulsado

Figura 2.5. Tipo de transferencia de material de aporte GMAW [1]

2.1.3.3 El gas protector

Para el caso de soldar planchas de espesores delgados de acero estructural serecomienda emplear CO2 o una mezcla de CO2 con argn.

Cambiando la composicin del gas de proteccin se puede actuar sobre la forma delcordn, como se aprecia en la figura 2.6.

Figura 2.6. Soldadura GMAW con diferente gas protector [1]

2.1.3.4 Ventajas del proceso GMAW

Alto tasa de deposicin de soldadura.Mnima limpieza despus de soldar (no presenta escoria).

10

Arco y bao fundido claramente visibles para el soldador.El proceso es automatizable, alcanzando altas velocidades de trabajo.Es un mtodo limpio y compatible con las medidas de proteccin para el medio

ambiente.

2.1.3.5. Desventajas del proceso GMAW

Su mayor problema es la necesidad de aporte tanto de gas como de electrodo, loque multiplica las posibilidades de fallo del aparato, adems del lgicoencarecimiento del proceso.Equipo complejo, costoso y no portable.Sensible a vientos o corrientes de aire.Sus discontinuidades principales son porosidades y fusin incompleta.

2.1.4. Proceso GTAW (Gas Tungsten Arc Welding)

En este proceso, tambin conocido como TIG (Tungsten Inert Gas), la fusin esproducida por el calor de un arco que se establece entre un electrodo de tungsteno noconsumible y el metal base como se aprecia en la figura 2.7. La proteccin se obtienede un gas inerte, como el argn o el helio. El bao de fusin est completamenteaislado de la atmsfera durante toda la operacin de soldeo, de no ser as, tanto eloxgeno como el nitrgeno del aire seran absorbidos por el metal en estado de fusiny la soldadura quedara porosa y frgil.

Figura 2.7. Proceso GTAW [2]

112.1.4.1. El gas de proteccin

Se utiliza un gas inerte sea argn, helio o una mezcla de ambos para proteger el arcode los gases perjudiciales de la atmsfera. El argn es ms usado pues al ser mspesado que el helio proporciona una mejor proteccin a la soldadura y adems sucosto es menor.

2.1.4.2. Los electrodos

Los electrodos que se emplean son de tungsteno y aleaciones de tungsteno. Tienenun punto de fusin muy elevado de 3400C y un punto de evaporacin de 5900C,pudiendo mantener su dureza a altas temperaturas. Prcticamente no se consumen.El electrodo no debe tocar el bao fundido.

Hay diferentes clases de electrodos, hay de tungsteno puro (los menos costosos),tungsteno con 1 a 2% de torio (de larga vida, se emplean para aceros) o tungstenoaleado con circonio (menor contaminacin, mejor calidad, se emplea para aluminio).

2.1.4.3. Material de aporte

Su seleccin depende del metal a ser soldado teniendo en cuenta su composicinqumica y propiedades mecnicas, espesor y diseo de junta.

Su clasificacin para materiales de aportes para acero segn AWS A5.18 se muestraen la figura 2.8.:

ER 70 S X

Alambre

Electrodo ovarilla

slido

Composicin qumica ygas de proteccin

Resistencia mnima a latraccin en Ksi

Figura 2.8. Designacin del material de aporte para GTAW segn AWS A5.18

122.1.4.4. Ventajas del proceso GTAW

Se obtienen soldaduras de alta calidad, cordones ms resistentes, ms dctiles ymenos sensibles a la corrosin que en el resto de procedimientos, ya que el gasprotector impide el contacto entre la atmsfera y el bao de fusin.

Sirve para soldar casi todo tipo de metales como aluminio, magnesio, aceroinoxidable, bronce, plata, cobre, nquel y aleaciones, hierro fundido, aceros de bajocarbono, aceros aleados e incluso uniones de metales dismiles.

Se requiere poca o ninguna limpieza posterior.

No se produce escoria que podra quedarse atrapada en la soldadura.

No hay metal de aporte que atraviese el arco, de modo que no se producensalpicaduras.

Proceso poco sensible a la presencia de fisuras, porosidades y salpicaduras.

La soldadura es posible en todas las posiciones.

El cordn obtenido es de buen acabado superficial, que puede mejorarse consencillas operaciones de acabado, lo que incide favorablemente en los costes deproduccin.

Puede emplearse con o sin material de aporte.

Muy baja emisin de humos.

2.1.4.5. Desventajas del proceso GTAW

No resulta econmico para secciones de ms de 10 mm de espesor.

Puede haber inclusiones de tungsteno si se permite que el electrodo haga contactocon el bao fundido.

Velocidades de deposicin de metal de aporte bajas.

La proteccin gaseosa puede ser removida por corrientes de aire (AWS D1.1-2000:Vaire < 8 km/h)

Este mtodo de soldadura requiere de un soldador especializado.

132.1.5. Proceso SAW (Sumerged Arc Welding)

Este proceso de soldadura utiliza un flujo de material protector granulado llamado flux,ste protege el arco y el bao de fusin de la atmsfera. Parte del flux fundeprotegiendo y estabilizando el arco, genera escoria que asla el cordn, e inclusopuede contribuir a la aleacin. El resto del flux, no fundido, se puede reutilizar. Elproceso se aprecia en la figura 2.9.

Figura 2.9. Proceso de soldadura SAW [1]

2.1.5.1. Fundente

Son minerales fusibles granulares con xidos de manganeso, silicio, titanio, aluminio,calcio, circonio, magnesio y otros compuestos como el fluoruro de calcio, condeterminadas caractersticas de escorificacin, viscosidad, etc.

2.1.5.2. Ventajas del proceso SAW

Excelente calidad de la unin soldada.

El fundente que sobra puede reusarse, pero hasta un mximo de 2 veces.

Este proceso es automatizado y puede aplicarse a gran velocidad.

Requiere poca habilidad del operario.

142.1.5.3. Desventajas del proceso SAW

El proceso no es adecuado para unir espesores delgados.

Slo puede aplicarse en posicin plana, y para piezas planas o casi planas.

Es un proceso costoso.

El flux debe ser continuamente aportado, lo cual encarece el procedimiento yaumenta sus probabilidades de fallo.

El fundente est sujeto a contaminaciones que pueden producir defectos en lasoldadura.

La principal discontinuidad es la presencia de inclusiones de escoria, tambinpuede presentar fusin incompleta y porosidades.

No es recomendable para unir espesores menores de 5 milmetros.

2.1.6. Conclusiones

Para el caso de planchas de acero estructural de bajo espesor, los procesos SMAW(Shield Metal Arc Welding) y SAW (Sumerged Arc Welding) quedan descartados porlas desventajas que presentan para este caso especfico de soldadura de acero debajo espesor. El proceso de soldadura OFW (Oxygen Fuel Gas Welding) en laactualidad se ha eliminado casi por completo, quedando los procesos GTAW yGMAW.

Con el proceso de soldadura GTAW se consiguen cordones de soldadura resistentes,dctiles y poco sensibles a la corrosin, y adems poco sensibles a la presencia defisuras, porosidades y salpicaduras, es decir obtenemos una muy buena soldadura.Adems se tiene la opcin de soldar sin material de aporte, teniendo la ventaja depoder disminuir costos al no tener que usar el material de aporte y al acelerar elproceso, opcin que no es posible con el proceso GMAW.

En el presente trabajo se estudiar especficamente el proceso GTAW debido a lasventajas que presenta sobre los dems procesos para la soldadura de aceroestructural de bajo espesor.

152.2. ACEROS AL CARBONO Y DE BAJA ALEACIN

El acero al carbono es el material metlico ms importante para la industria. ste esbsicamente una aleacin de hierro y carbono. El aumento del contenido de carbonoen el acero eleva su resistencia a la traccin, incrementa el ndice de fragilidad en froy hace que disminuya la tenacidad y la ductilidad. Dependiendo de la temperatura ydel porcentaje de carbono en el acero, ste presentar diferentes fases y con ellodiferentes propiedades como se aprecia en la figura 2.10.

T C1 535

1 4921 410

+L

+

+L

Lquido

L + Fe3C

1 130

+ Fe3C910

723

+

+ Fe3C

723

0,008

0,8

2,0

4,3

6,67 %

Figura 2.10. Diagrama Fe-Fe3C mostrando las fases que se presentan conforme varala temperatura y el contenido de carbono a presin atmosfrica. [3]

162.2.1. Microconstituyentes de los aceros al carbono

En los aceros al carbono se pueden presentar, dependiendo de la temperatura y sucomposicin qumica, microconstituyentes como ferrita, austenita, cementita, perlita ymartensita. A continuacin se presentarn algunas caractersticas y propiedades delos constituyentes antes mencionados.

2.2.1.1. Ferrita ()

La ferrita es hierro casi puro y es el constituyente ms blando y dctil del diagrama

Fe-Fe3C. Es una solucin slida intersticial de carbono en hierro alfa cbica centradaen el cuerpo (CCCu) y a temperatura ambiente disuelve 0,008 % de carbonointersticialmente. Este microconstituyente se muestra en la figura 2.11.

Figura 2.11. Microestructura del acero con 100% de Ferrita X100

La ferrita presenta una dureza de 90 Brinell, una resistencia mxima a la traccin de270 MPa y una elongacin de 40%. La ferrita es estable hasta aproximadamente910C, a mayores temperaturas se transforma en austenita. Cuando el acero tienemenos de 0,8%C, la ferrita est presente en la microestructura como una fase libre. Amayores contenidos de carbono, la ferrita se encuentra formando parte de unconstituyente llamado Perlita, que son colonias (agrupaciones) de lminas de ferritay cementita.

172.2.1.2. Cementita (Fe3C)

Es el microconstituyente ms duro y frgil de los aceros al carbono, presentan una altatemperatura de fusin. Alcanza una dureza de alrededor de 800 HB, tiene unareducida resistencia a la traccin (35 MPa), una ductilidad nula (% = 0) y altaresistencia a la compresin. Su estructura cristalina es ortorrmbica. Es magntica atemperatura ambiente, perdiendo su magnetismo a 218C. Este microconstituyente semuestra en la figura 2.12.

Figura 2.12. Microestructura del acero 1%C, red blanca de cementita

La cementita es una fase que aparece libre a partir de 0.8% de carbono, en forma dered, rodeando a las colonias de perlita.

2.2.1.3. Perlita (P)

La Perlita no es una fase, sino un agregado laminar de ferrita y cementita. Estconstituida por lminas de ferrita (88%) y cementita (12%) y se forma a temperaturaconstante a partir del enfriamiento de la austenita a 723C. Su elongacin promedio esde 20 % aproximadamente. Es un microconstituyente eutectoide, la microestructura deun acero que contiene el 0,8 %C es 100% perlita. Tiene una dureza de 200 HB a 250HB, una resistencia a la traccin que vara entre 600 MPa y 850 MPa. Ambasdependen de la distancia entre las lminas de cementita. Esta microestructura semuestra en la figura 2.13.

18

Figura 2.13. Microestructura del acero con 100% Perlita x400

La velocidad de enfriamiento desde la temperatura de austenizacin determina ladistancia media entre lminas de la perlita. A enfriamientos ms lentos, la separacinentre lminas es mayor, del orden de 400 nm, a este tipo de constitucin se le llamaPerlita gruesa. Perlita media se obtiene mediante enfriamientos menos lentos, conuna separacin entre lminas de unos 350 nm. Perlita fina se obtiene conenfriamientos ms rpidos, con una separacin entre lminas del orden de los 250nm. En la tabla 2.1 se muestran la resistencia a la traccin y la dureza de la perlitagruesa y la perlita fina.

Tabla 2.1. Propiedades mecnicas de la perlita [4]

2.2.1.4. Austenita ()

Es una solucin slida intersticial de carbono en hierro cbico centrado en las caras(CCCa). Es un constituyente de composicin qumica variable (%C < 2,0). Laaustenita se encuentra en estado de equilibrio en los aceros a temperaturasEstructuraResistencia a la traccin2(kg/mm )Dureza Brinell(HB)Perlita gruesa60200Perlita fina85250

19superiores a A1 (>723C). La austenita tiene una resistencia a la traccin que varaentre 800 MPa y 1050 MPa, una dureza promedio de 300 HB y una elongacin de30% a 60%. Una caracterstica de la austenita es que no es magntica. Es elconstituyente ms denso de los aceros. En la figura 2.14 se aprecia lasmicroestructuras de un acero de bajo carbono a diferentes temperaturas.

T C

0,2 %C

100 %

(austenita)

1 130 C

pp

A3

A1MICROCONSTITUYENTESFe3CP + Pp + P

723 C

75 %p

25 % P

FASES+ Fe3C

0,008

0,2

0,8

2,0

%C

Figura 2.14. Microestructuras de un acero de 0,2% de carbono enfriado lentamente [3]

2.2.1.5. Bainita

Este microconstituyente del acero se obtiene por transformacin isotrmica de laaustenita. Mientras ms baja su temperatura de formacin, las partculas de carburosson ms finas. La bainita superior, que tiene forma como de plumas de ave, se formaa temperaturas entre 500C y 450C. La bainita inferior, con una morfologa acicularcompuesta por agregados finos de carburos y ferrita, se forma a temperaturas entre400C y 250C. Esta estructura baintica provee al acero de elevados valores dedureza y de tenacidad. + Fe3CPP +

202.2.1.6. Martensita

Este microconstituyente se obtiene de la austenita, al aumentar la velocidad deenfriamiento. Es una solucin slida sobresaturada de carbono de estructuratetragonal.

Es muy frgil, tiene una dureza de 50 a 68 Rockwell C, una resistencia a la traccin de1650 MPa a 1450 MPa y un alargamiento del 0.5% al 2.5%. Presenta un aspectoacicular, como se aprecia en la figura 2.15.

Figura 2.15. Microestructura de la martensita X400

Las propiedades mecnicas de los aceros en estado de equilibrio dependen de lasfases presentes en su microestructura. La ferrita es blanda, de baja resistenciamecnica y fcilmente deformable; la cementita es dura y muy frgil; y la perlitacombina las propiedades de la ferrita con la cementita, es decir tiene buena resistenciamecnica y dureza, y deformabilidad aceptable.

2.2.2. Clasificacin de los aceros de bajo carbono

El grupo de aleaciones ms importantes de ingeniera son los aceros al carbono,debido a su costo relativamente bajo y a que cuentan con un amplio rango depropiedades mecnicas.

21Los aceros al carbono y de baja aleacin se clasifican teniendo como referencia suselementos aleantes. stos influyen en propiedades como, resistencia mecnica,dureza, maquinabilidad, resistencia a cargas de impacto, resistencia al desgaste, etc.

2.2.2.1. Uso del acero segn su contenido en carbono

Segn el uso o aplicacin final que se le dar al acero, se le clasifica como: aceroestructural, acero para elementos de mquinas y acero para herramientas. En el casodel presente trabajo se har referencia a los aceros estructurales.

Acero estructural: 0,1 < %C < 0,3Los aceros estructurales se emplean para la fabricacin de piezas, elementos demquinas y de construccin de instalaciones. En ellos son importantes ciertaspropiedades mecnicas, como la resistencia a la traccin, tenacidad, resistencia a lafatiga y alargamiento.

Los aceros de hasta 0,1% de carbono se utilizan para lminas, tubos, mallas,alambres, tornillos, clavos, cadenas, remaches, etc.

Los aceros que tienen ms de 0,1% y menos de 0,3% de carbono se utilizan parafabricar planchas, barras corrugadas, perfiles en I, C, L, etc., calderas, tanques,tornillos, etc.

2.2.2.2. Designacin de los aceros

a) Norma AISI (American Iron and Steel Institute - EEUU)

Aceros al carbono de baja y mediana aleacin

La mayora de las aleaciones ferrosas son aceros al carbono y aceros de bajaaleacin (elementos aleantes < 5 %), debido a que estas aleaciones tienen un preciorelativamente moderado por la ausencia de grandes cantidades de elementosaleantes.

22Los aceros se designan con 4 nmeros (% C < 1,0) 5 (%C 1,0). Adems de losnmeros, las especificaciones AISI pueden incluir un prefijo literal para indicar el

proceso

de

manufactura.

Las

especificaciones

SAE

emplean

las

mismas

designaciones numricas que las AISI, pero eliminando todos los prefijos literales.

AISI ZYXX(X) SAE ZYXX(X)

XX(X) : Indica el % C x 100

Y : En el caso de aceros de baja aleacin, indica el porcentaje aproximado

a del

elemento de aleacin.Z : Tipo de acero o aleacin.

La composicin qumica de algunos aceros al carbono se muestra en la Tabla 2.2, endonde se aprecia que la composicin de los elementos no es exacta, sino que seencuentra dentro de un rango.

Tabla 2.2. Aceros al carbono [3]

AISI1010102010401060

%C0,08 - 0,130,18 - 0,230,37 - 0,440,55 - 0,65

% Mn0,30 - 0,600,30 - 0,600,60 - 0,900,60 - 0,90

% Si0,20 - 0,350,20 - 0,350,20 - 0,350,20 - 0,35

% Pmx0,040,040,040,04

%S0,050,050,050,05

Para el caso especfico del presente estudio se utilizar acero estructural equivalente aun acero AISI 1020.

b) Norma DIN (Deutsche Industrie Normen - Alemania)

Aceros ordinariosNo apropiado para tratamientos trmicos: aceros para construccin.

Ejemplos: St 34, St 37, St 42, St 50, St 52.

23Ejemplo: DIN St 42

Acero al carbono con valor mnimo de resistencia a la traccin de 42 kg/mm2. Detablas el valor puede oscilar entre 42 kg/mm2 y 50 kg/mm2 y su dureza entre 120 HB y140 HB.

Apropiado para tratamientos trmicos

Un ejemplo de este tipo de acero es el caso del DIN C35 (AISI 1035), que presenta uncontenido de carbono promedio de 0,35 %C. A este tipo de acero con bajo contenidoen fsforo y azufre se les aade la letra K.

Ejemplo DIN CK35, en donde el P < 0,025% y S < 0,035%.

2.2.3. Propiedades mecnicas

Las propiedades mecnicas del acero indican su comportamiento bajo diferentescondiciones de carga. Algunas de las propiedades importantes del acero son lassiguientes:

2.2.3.1. Resistencia

Es la capacidad de un material de soportar una carga aplicada sin fallar. Dependiendodel tipo de carga aplicada encontramos:

a) Resistencia a la traccin: Para la resistencia a la traccin, se sometenprobetas a traccin axial de incremento constante. Con este ensayo sedetermina el lmite elstico, la resistencia mxima a la tensin y la ductilidad.En la figura 2.16 se aprecia que en los aceros al carbono enfriadoslentamente, a mayor contenido de carbono, mayor ser su resistencia mximaa la traccin.

En un acero AISI 1020 en estado de recocido (enfriado lentamente) presentarmenor resistencia a la traccin que el mismo en estado de normalizado(enfriado en aire quieto), debido a que en el primer caso se form perlitagruesa y en el segundo perlita fina.

24b) Resistencia a la fatiga: Las probetas se someten a cargas cclicas deesfuerzo. Con el nmero de ciclos antes de la falla podemos determinar elesfuerzo mximo al que el acero puede ser sometido antes de que falle por lascargas cclicas.

c) Resistencia al impacto: Con esta prueba se mide cunta energa puedeabsorber durante la rotura, a una carga aplicada sbitamente.

2.2.3.2. Ductilidad

Es la capacidad del material para deformarse plsticamente bajo carga sin romperse.En la figura 2.16 se observa la variacin del alargamiento de rotura con relacin alcontenido de carbono para aceros ordinarios. En la tabla 2.3 se observan valores deestriccin con relacin al porcentaje de carbono para aceros recocidos ynormalizados. La ductilidad de un metal normalmente se determina con ensayos detraccin.

Resistenciakg/mm2100

DurezaHB

400

300

80

60

200

100

40

20

%40

30

20

10

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6 % C

Figura 2.16. Variacin de las propiedades mecnicas de los aceros ordinarios,enfriados lentamente, con el % en peso de carbono [3]mxHB%

252.2.3.3. Dureza

Es la capacidad del material para resistir la penetracin por otro elemento ms duro.La dureza aumenta con la resistencia y viceversa, por consiguiente si se conoce ladureza es posible conocer su resistencia a la traccin aproximada sin tener que hacerun ensayo de traccin. En la figura 2.16 se observa la variacin de la dureza Brinellcon relacin al contenido de carbono en aceros ordinarios recocidos (enfriadoslentamente) o aceros normalizados (enfriados al aire); se aprecia que a medida queaumenta el contenido de carbono, aumenta la dureza. En la tabla 2.3 se observanvalores de dureza Brinell con relacin al porcentaje de carbono para aceros recocidosy normalizados.

Tabla 2.3 Propiedades mecnicas de los aceros al carbono recocidos y normalizados enfuncin del porcentaje de carbono [4]PorcentajedeCarbonoResistenciaa la traccin2(kg/ mm )Lmite defluenciaPorcentaje dealargamientoen 2 pulgadasEstriccin(%)DurezaBrinellRecocidos0.010.200.400.600.801.001.201.40294153678176727213253135373736354737302315222419716448332226392590115145190220195200215Normalizados0.010.200.400.600.801.001.201.40324560779410710870183236424970706745352719137317160432818116390120165220260295315300

262.2.4. Tratamientos trmicos de los aceros de bajo carbono

Los tratamientos trmicos en los aceros se realizan para modificar sus propiedades

mecnicas,

esta modificacin se debe a los cambios microestructurales que los

aceros pueden alcanzar en condiciones fuera de equilibrio. Para realizar untratamiento trmico se tiene que seguir la secuencia de calentamiento, permanenciadel material a la temperatura del tratamiento y un enfriamiento hasta la temperaturaambiente.

En la mayora de tratamientos trmicos aplicados en los aceros, se calienta el materialhasta la regin austentica, luego dependiendo de las caractersticas deseadas seenfriar lentamente, en aire quieto, en agua, etc. En la figura 2.18 se muestra elesquema de un tratamiento trmico.

Temp.

Permanencia (depende del espesor)

Tc(generalmentedepende de lacomposicin

qumica)

Calentamiento

Figura 2.18. Esquema de un tratamiento trmico

Enfriamiento(depende deltratamientotrmico)

tiempo

2.2.4.1. Recocido

El objeto de este tratamiento es ablandar el acero, homogenizar su estructura ycomposicin qumica y aumentar su ductilidad. Se presentan cuatro formas:

a) Recocido total o de regeneracin: Este tratamiento trmico se utiliza cuandose trata de ablandar el acero y regenerar su estructura despus de la forja olaminacin, para mecanizar en las mejores condiciones posibles, aceros de

27entre 0.35 a 0.60 %C. Se calienta el acero por encima de su temperatura A3 ydespus de permanecer en el horno el tiempo suficiente se enfra lentamente.Su microestructura estar formada por perlita gruesa y ferrita.

b) Recocido de alivio de tensiones: Este tratamiento se le da a los acerosdespus de un mecanizado fuerte, deformacin en fro localizada o proceso desoldadura para disminuir las tensiones residuales. La temperatura que debealcanzar la pieza es menor a la temperatura de recristalizacin, por lo tanto nohay modificacin microestructural. ste es un tratamiento trmico quegeneralmente se utiliza para uniones soldadas de ms de 0.35% de carbono.

c) Recocidos contra acritud: Se emplea para aceros de bajo contenido encarbono (inferior a 0.30%) con tensiones residuales por fuertes maquinados oque han sufrido un fuerte trabajo en fro por laminado o estirado y en los que ladureza ha aumentado, habindose disminuido al mismo tiempo la ductilidadhasta limites muy bajos. Este tratamiento consiste en calentar el acero atemperaturas por debajo de la crtica inferior A1 (540 a 650C) y enfriamiento alaire. Este tratamiento trmico se utiliza en las industrias de lminas y dealambres.

d) Recocido

globular:

Este

tratamiento

tiene

por

objetivo

mejorar

la

maquinabilidad y ductilidad de aceros de alto porcentaje de carbono. Estetratamiento consiste en calentar durante un largo tiempo el acero atemperaturas entre 700 a 740 C y luego enfriar lentamente en horno hastallegar a los 500C, a partir de la cual podr enfriarse en el aire. De esta formael material tiene un aumento significativo de ductilidad.

2.2.4.2. Normalizado

Este tratamiento tiene por objetivo mejorar la tenacidad del acero. Este tratamientoconsiste en calentar el acero a unos 50C por encima de la temperatura crticasuperior (A3 o Acm) y enfriarlo luego en aire. El normalizado produce unamicroestructura de perlita ms fina y ms abundante que la obtenida por recocidototal, lo cual resulta en un acero ms resistente y ms tenaz. Se suele emplear comotratamiento previo al temple y revenido.

282.2.4.3. Templado

Este tratamiento tiene por objetivo endurecer y aumentar la resistencia de los aceros.Este tratamiento consiste en calentar 50C sobre la temperatura crtica superior paraaceros hipoeutectoides (A3) y a 50C de la temperatura crtica inferior para aceroshipereutectoides (A3,1), luego enfriarlo rpidamente de tal manera que la austenita setransforme en martensita.

Templabilidad: Es una propiedad que determina la profundidad y distribucin de ladureza obtenida a travs del temple.

2.2.4.4. Revenido

Este tratamiento tiene como objetivo disminuir la fragilidad y eliminar las tensionescreadas en el temple. Este tratamiento consiste en calentar el acero a unatemperatura menor a la crtica inferior (200 a 450C), empleando generalmente dosveces el tiempo de calentamiento para el templado de la misma pieza y luegoenfriamiento al aire.

Al dar a los aceros al carbono un temple y revenido (bonificado) se consiguen muybuena tenacidad en los mismos.

2.2.4.5. Proceso de soldadura y tratamiento trmico

En un proceso de soldadura se busca unir dos piezas fundindolas, aportando calorlocalmente a la zona que ser unida. El calor se transmite a travs del metal baseaumentando su temperatura y luego se enfra hasta temperatura ambiente como en untratamiento trmico. Este calentamiento y enfriamiento del metal no se realiza paracambiar intencionalmente las propiedades mecnicas del acero, sino que esconsecuencia del proceso de soldadura.

La zona afectada por el calor (ZAC) es la zona del material soldado que no lleg afusionarse; pero, que alcanz temperaturas suficientes como para provocar cambiosmicroestructurales como los que ocurren en los tratamientos trmicos, cambiando assus propiedades mecnicas.

292.3. SOLDABILIDAD DE LOS ACEROS DE BAJO Y MEDIO CARBONO

La soldabilidad de los aceros depende en alto grado del porcentaje de carbono quecontengan. A mayor cantidad de carbono presente en la aleacin se dificulta susoldeo, y a menor carbono aumenta la soldabilidad del material.

2.3.1. Soldabilidad de los aceros de bajo carbono

Estos aceros presentan menos del 0,3% de carbono, tienen baja templabilidad,entonces son de fcil soldabilidad y pueden soldarse con cualquiera de los procesosconocidos, cuya eleccin est determinada principalmente por la clase de unin,posicin de soldadura y costo.

2.3.2. Soldabilidad de los aceros de medio carbono

Los aceros de mediano carbono son aquellos que contienen 0.30 a 0.55% de carbono.Son aceros de mediana soldabilidad, as que tienden a formar martensita en la ZAC,entonces estos aceros primero tienen que ser precalentados en funcin del espesor dela unin, de su carbono equivalente y del proceso de soldadura utilizado, para evitarproblemas de fisuracin o endurecimiento.

Es recomendable tambin hacerle un tratamiento de alivio de tensiones despus delproceso de soldadura, ms an cuando se sueldan piezas de espesores gruesos,seguido de un enfriamiento lento.

30CAPTULO III: PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

En el presente captulo se muestra el procedimiento empleado para la realizacin delos cupones y probetas, as como los mtodos que se siguieron para lacaracterizacin y determinacin de las propiedades de las uniones soldadas y elmaterial base, acero ASTM A36.

3.1. Preparacin de cupones

3.1.1 Caractersticas nominales del material base

Para el presente trabajo, se utilizaron planchas de acero ASTM A36 de 2 milmetrosde espesor. Las caractersticas fsicas y mecnicas, y la composicin qumica delacero A36 se muestran en las tablas 3.1 y 3.2 respectivamente. Al acero ASTM A36empleado se le hizo un anlisis qumico, cuyos valores obtenidos se aprecian en latabla 3.3.

Tabla 3.1. Propiedades fsicas y mecnicas del acero estructural ASTM A36 [5]Propiedades FsicasDensidad37850 kg/mPropiedades MecnicasEsfuerzo mximo a la traccin400 - 550 MPaEsfuerzo de fluencia, min250 MPaAlargamiento en 200 mm, mn20 %Alargamiento en 50 mm, min23 %Mdulo elstico200 GPaCoeficiente de Poisson0,26

31

Tabla 3.2. Composicin qumica nominal del acero ASTM A36 [5]

Tabla 3.3. Composicin qumica del acero ASTM A36 empleado

3.1.2. Equipamiento de soldadura

3.1.2.1 Mquina de soldadura GTAW

Para el proceso de soldadura GTAW utilizado en el presente trabajo, para soldar loscupones del acero ASTM A36, se utiliz el equipo porttil MinarcTIG 180 que semuestra en la figura 3.1. Los datos tcnicos de este equipo se muestran en la tabla3.4.Elementos AleantesPorcentajeCarbono0,19Manganeso0,28Silicio0,06Fsforo0,014Azufre0,002Nquel0,01Cromo0,03Molibdeno0,00Cobre0,05

Elementos AleantesPorcentaje mximoCarbono0,26ManganesoNo requeridoFsforoMx 0,04AzufreMx 0,05Silicio0,4Cobre0,2

32

Figura 3.1. Equipo de soldeo GTAW MinarcTIG 180

Tabla 3.4. Datos tcnicos del equipo MinarcTIG 180

3.1.3. Consumibles

3.1.3.1. Material de aporte

Para los cupones soldados con material de aporte se utiliz el ER70 S-6, que sonvarillas recubiertas de cobre que tienen un alto contenido de manganeso y silicio. ElER70 S-6 es especial para soldar aceros al carbono utilizando el proceso GTAW. Losgases recomendados para soldar con este material de aporte son el Argn puro y elMinarcTIG 180Voltaje de suministro1 ~ 230V 15%, 50 / 60 HzFusible16 ACable de conexin23x2,5 mm 3 mPeso (con cables de suministro)7.8 kg ( 8,4 kg)Rango de soldadura5A / 10,2V 180A / 17,2VEficiencia a mxima corriente0,75Corriente nominal 35%180A / 17,2VCorriente nominal 100%120A / 14,8VClase de proteccinIP 23CDimensiones externas (L x W x H)400 x 180 x 340 mm

33Helio. La composicin qumica del material de aporte depositado se muestra en latabla 3.5.

Tabla 3.5. Composicin qumica del material de aporte depositado

3.1.3.2. Gas de proteccin

Para el soldeo de los cupones para los ensayos, se utiliz 100% argn empleando uncaudal de 9 litros/min en la realizacin de todos los cordones de soldadura.

El argn es el ms abundante de los gases raros del aire (0.9% en volumen). Esincoloro, inodoro y sin sabor. Es un gas no txico, no inflamable y un 30% ms pesadoque el aire. Es inerte, caracterizado por una perfecta estabilidad fsica y qumica acualquier temperatura y presin. El argn es un excelente conductor de electricidad yno es corrosivo.

3.1.4. Ejecucin de uniones

3.1.4.1. Elaboracin de juntas

Para la realizacin de los cupones de soldadura, se utilizaron planchas de aceroASTM A36 de 150 x 200 mm y de 2 mm de espesor como muestra la figura 3.2.Elementos AleantesPorcentajeCarbono0,06 0,12Manganeso1,3 1,6Silicio0,7 1,0Fsforo< 0,025Azufre< 0,025

34

150 mm.

200 mm.

Figura 3.2. Planchas de acero ASTM A36 para la fabricacin de cupones

3.1.4.1.1 Tipo de junta

Por el espesor del material, el tipo de junta que se utiliz fue la junta a tope de bordesrectos como se aprecia en la figura 3.3.

Figura 3.3. Junta a tope

3.1.4.1.2 Limpieza de bordes

Para obtener una superficie adecuada para realizar el proceso de soldeo en lasplanchas de acero ASTM A36, se limpiaron las probetas con una amoladora paraquitar todo xido e impurezas superficiales. La distancia limpiada fue como mnimo 20milmetros desde el borde como se aprecia en la figura 3.4.

35

Figura 3.4. Bordes limpiados para su soldeo

3.1.4.2. Procedimiento de soldeo

Para los ensayos experimentales se realizaron cuatro cupones soldados con elproceso GTAW. Dos de los cupones realizados fueron soldados sin material de aporte,con una (cupn #1) y dos pasadas (cupn #2), y los otros dos cupones fueronsoldados usando el material de aporte ER70 S6 con una (cupn #3) y dos pasadas(cupn #4). Los parmetros y condiciones de soldadura se muestran en la tabla 3.6.En la figura 3.5 se visualiza el soldeo de una de las probetas sin la utilizacin dematerial de aporte, en la figura 3.6 se observa el cupn soldado con material de aportecon dos pasadas y en la figura 3.7 se observa el cupn soldado sin material de aportecon dos pasadas.Tabla 3.6. Parmetros de soldadura de los cuponesNmerodeCupnPasadasIntensidad(A)Voltaje(V)ElectrodoMaterial deaporteGas deproteccinNmerodeCupnPasadasIntensidad(A)Voltaje(V)TipoDimetro(pulg)Material deaporteTipoArgnCaudal(litros/min)1nicapasada6011EWTh-13/32Sin aporteTipoArgn92Primerapasada5411EWTh-13/32Sin aporteArgn92Segundapasada6011EWTh-13/32Sin aporteArgn93nicapasada5411EWTh-13/32ER 70 S63/32Argn94Primerapasada5411EWTh-13/32ER 70 S63/32Argn94Segundapasada6011EWTh-13/32ER 70 S63/32Argn9

36

Figura 3.5. Soldeo sin material de aporte de cupones

Direccin desoldeo

Direccin desoldeo

Figura 3.6. Cupn soldado con material de aporte

37

Direccin desoldeo

Direccin desoldeo

Figura 3.7. Cupn soldado sin material de aporte

3.2. Tcnicas de caracterizacin de las uniones

Una vez obtenidos los cuatro cupones, se procedi a realizar la inspeccin visualpara localizar defectos. Luego se procedi a realizar el corte de los mismos con el finde obtener las probetas que luego fueron ensayadas.

3.2.1. Caracterizacin mecnica

3.2.1.1. Ensayo de traccin

a) Equipos y materiales utilizados

Mquina de traccin: Para el ensayo de traccin se utiliz la mquina de traccinuniversal marca Zwick Roell modelo Special Metal Testing Machina SP que tieneuna capacidad de hasta 60 kN en traccin. Este equipo se encuentra en elLaboratorio de Materiales, seccin Ingeniera Mecnica, de la PontificiaUniversidad Catlica del Per. La mquina de ensayo se muestra en la figura 3.8.

38

Figura 3.8. Mquina de traccin Zwick Roell Special Metal Testing Machina SP

Material base: Se confeccionaron 3 probetas para realizar el ensayo de traccin enel material base, de acuerdo con la norma ASTM A370. En la figura 3.9 se muestrauna de las probetas empleadas.

Figura 3.9. Probeta para el ensayo de traccin del material base

La tabla 3.7 recoge las dimensiones que presentaron las probetas hechas con elmaterial base.

39Tabla 3.7. Probetas del material base para el ensayo de traccin

Probetas soldadas: Para conocer las caractersticas mecnicas de los cuponessoldados con diferentes parmetros, se fabricaron tres probetas a partir de cadauno de los cupones, con el objeto de realizar los ensayos de traccin.Estas probetas se muestran en la figura 3.10. Las probetas fueron fabricadastomando como referencia la norma de ensayo ASTM A370-05 cuyas dimensionestransversales se muestran en las tablas 3.8, 3.9, 3.10 y 3.11.

Figura 3.10. Probetas soldadas para el ensayo de traccinProbetas para ensayo de traccin Material BaseProbetaSeccin transversalProbetaMedidas (mm)rea2(mm )ProbetaAnchoEspesorrea2(mm )MB112.451.9123.78MB212.531.9123.93MB312.301.9423.86

40Tabla 3.8. Probetas soldadas con una pasada, sin material de aporte para ensayo de traccin

Tabla 3.9. Probetas soldadas con dos pasadas, sin material de aporte para ensayo de traccin

Tabla 3.10 Probetas soldadas con una pasada de material de aporte para ensayo de traccin

Tabla 3.11 Probetas soldadas con dos pasadas de material de aporte para ensayo de traccinProbetas para ensayo de traccin Con aporte 1 pasadaProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteSeccin transversalProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteMedidas (mm)rea2(mm )ProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteAnchoEspesorrea2(mm )3.11ER70 S-612.481.9924.843.21ER70 S-612.451.9724.533.31ER70 S-612.461.9624.42

Probetas para ensayo de traccin Con aporte 2 pasadasProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteSeccin transversalProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteMedidas (mm)rea2(mm )ProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteAnchoEspesorrea2(mm )4.12ER70 S-612.561.9624.624.22ER70 S-612.521.9524.414.32ER70 S-612.541.9824.83

Probetas para ensayo de traccin Sin aporte 2 pasadasProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteSeccin transversalProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteMedidas (mm)rea2(mm )ProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteAnchoEspesorrea2(mm )2.12Sin aporte12.481.9824.712.22Sin aporte12.461.9524.302.32Sin aporte12.411.9223.83

Probetas para ensayo de traccin Sin aporte 1 pasadaProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteSeccin transversalProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteMedidas (mm)rea2(mm )ProbetaPasadasdesoldaduraMaterial deaporteAnchoEspesorrea2(mm )1.11Sin aporte12.491.9223.981.21Sin aporte12.561.9023.861.31Sin aporte12.551.9424.35

41b) Metodologa de ensayo

Para este ensayo, se coloca una probeta de seccin transversal rectangular en unamquina de traccin sujetndola entre dos mordazas, una fija y la otra mvil. Laprobeta es sometida a traccin axial incrementando constantemente la carga, sta seconsigue al desplazar la mordaza mvil hasta alcanzar la rotura de la probeta. Una delas probetas colocadas en las mordazas para el ensayo de traccin se muestra en lafigura 3.11.

Probeta

Figura 3.11. Probeta en las mordazas de la mquina de traccin listas para ensayar

3.2.1.2. Ensayo de microdureza Vickers


Equipo de microdureza Vickers: Para la realizacin del ensayo de microdurezaen las probetas hechas de los cupones soldados, se utiliz el equipo para medirmicrodureza Leiz del Laboratorio de Materiales, seccin Ingeniera Mecnica, de laPontificia Universidad Catlica del Per. El equipo mencionado se aprecia en lafigura 3.12.

42

Figura 3.12. Equipo Leiz para medicin de microdureza Vickers

Probetas: Para conocer las durezas alcanzadas en las zonas de fusin y en laszonas afectadas por el calor, en los cupones soldados con el proceso GTAW enlas planchas de acero ASTM A36 con diferentes parmetros, se hicieron probetastomadas transversalmente a las uniones soldadas de cada uno de los cuponespara realizar el ensayo de dureza. Las dimensiones de las probetas se muestranen la figura 3.13.

2 mm

26 mm

Figura 3.13. Probeta con material de aporte para la medicin de microdureza Vickers

43Para realizar el ensayo de dureza, se necesita que el indentador penetreperpendicularmente sobre la cara que ser sometida a este ensayo. Para esto sehicieron briquetas para cada probeta con lo que se consigue que la cara que sersometida al ensayo de dureza sea totalmente horizontal. Una de las probetasempleadas se muestra en la figura 3.14.

b) Metodologa de ensayo

Este procedimiento emplea un penetrador de diamante en forma de pirmide de basecuadrada. Tal penetrador es aplicado perpendicularmente a la superficie cuya durezase desea medir, bajo la accin de una carga. Esta carga es mantenida durante uncierto tiempo, despus del cual es retirada y luego se mide la diagonal de la impresinque el indentador dej sobre la superficie de la muestra. Con este valor se obtiene ladureza Vickers, que es caracterizada por HV. Para este ensayo se utiliz una cargade 200 gramos. La dureza Vickers se obtiene a partir de la siguiente frmula segnASTM E 92-82:

HV = 1,8544 F/d2

Donde:

F = Carga en kilogramos.

d = Promedio de las dos diagonales medidas en milmetros.

Las indentaciones se realizaron desde el centro de la probeta (zona de fusin), hastallegar al material base a la derecha como se muestra en la figura 3.14. La distanciaentre indentacin e indentacin fue de 0,5 milmetros en la zona afectada por el calor;cuando se lleg al material base, la distancia entre indentaciones fue de 2 milmetros.

44

Zona deindentaciones

Figura 3.14. Probeta con material de aporte en una briqueta para la medicin

de microdureza Vickers y caracterizacin microestructural

3.2.1.3. Ensayo de doblado


Probetas: Para comprobar que el proceso de soldeo realizado en las planchas deacero ASTM A36 no haya sufrido fragilizacin y cambio de propiedades mecnicasseveras como una prdida de ductilidad, se hicieron probetas tomadastransversalmente a las uniones soldadas de cada uno de los cupones para realizarel ensayo de doblado. Las dimensiones de las probetas se muestran en la figura3.15.

10 mm.

38 mm.

Figura 3.15. Probeta con material de aporte para el ensayo de doblado.

45 Punzn: Para el presente caso, con un espesor de plancha de acero de 2milmetros, se utiliz un punzn para el doblado de 8 milmetros de dimetro.

dp = 4t

Donde:

dp = Dimetro del punzn.

t = Espesor de la plancha.

b) Metodologa de ensayo

Para este procedimiento se sometieron las probetas a una deformacin plstica pormedio de un doblado utilizando un punzn de 8 milmetros de dimetro. Este dobladose realiza en una sola direccin para que una de las caras de la unin soldada estsometida a esfuerzos de traccin. Se realizaron doblados de cara y de raz en lasprobetas.

3.2.2. Caracterizacin microestructural

3.2.2.1. Metalografa


Microscopio con cmara fotogrfica: Para la caracterizacin microestructural seutiliz el microscopio Leiz, que incorpora una cmara fotogrfica como se apreciaen la figura 3.16. Este microscopio permite realizar estudios a travs de variosaumentos, 50, 100, 200, 500 y 1000.

46

Figura 3.16. Microscopio con cmara Leiz para la caracterizacin microestructural.

Probetas: La fabricacin de las probetas utilizadas para la metalografa fuerealizada de la misma manera que para el ensayo de dureza como se aprecia enla figura 3.14. La preparacin de las probetas empleadas fue mediante desbaste ypulido mecnico segn la norma ASTM E3 95. El ataque qumico utilizado fuecon Nital al 3% segn ASTM 407 70.

47CAPTULO IV: RESULTADOS Y ANLISIS DE RESULTADOS

4.1. Ensayo de traccin

En las siguientes tablas y grficos se muestran los resultados de los ensayos detraccin realizados en las probetas fabricadas de material base, acero ASTM A36, ascomo las fabricadas a partir de los cupones soldados con diferentes parmetros desoldadura.

4.1.1. Material base

En la tabla 4.1 se muestran los resultados del ensayo de traccin realizado en lasprobetas hechas del material base, acero ASTM A36. Se observa que estas probetasalcanzaron un esfuerzo de fluencia promedio de 373 MPa, un esfuerzo mximopromedio de 512 MPa y una elongacin promedio de 32 %. Los valores obtenidos aquservirn para compararse con los valores que se obtengan en los ensayos de traccinen las dems probetas soldadas con diferentes parmetros de soldadura.

Tabla 4.1. Ensayo de traccin del material base

4.1.2. Uniones sin material de aporte 1 pasada

En la tabla 4.2 se muestran los resultados del ensayo de traccin para las probetassoldadas sin material de aporte y con una sola pasada. Se observa que estasprobetas alcanzaron valores de esfuerzo de fluencia promedio de 351 MPa, esfuerzomximo promedio de 491 MPa y elongacin promedio de 22 %. Los valores deesfuerzos de fluencia y esfuerzos mximos as como los valores de elongacin,Ensayo de traccin en el material baseProbetaSeccintransversalCargas (kN)Esfuerzos (MPa)DuctilidadProbetaSeccintransversalFuerzadefluenciaFuerzamximaEsfuerzodefluencia(0,2)Esfuerzomximo(mx)Longitudentremarcas(mm)Longitudfinalentremarcas(mm)Elongacin(%)Probetarea2(mm )FuerzadefluenciaFuerzamximaEsfuerzodefluencia(0,2)Esfuerzomximo(mx)Longitudentremarcas(mm)Longitudfinalentremarcas(mm)Elongacin(%)MB123.789.012.5378.5525.75066.833.6MB223.938.912.2371.9507.75066.533.1MB323.868.812.0368.8502.95065.230.4Promedio373.1512.132.4

48hallados en estas probetas soldadas sin material de aporte con una sola pasada,disminuyeron en relacin a los valores alcanzados por el material base (tabla 4.1). Enel ensayo de la probeta 1.3, se hallaron valores muy bajos de esfuerzo mximo y deelongacin pues la probeta presentaba un poro, as que para el promedio no se tomen cuenta.

Tabla 4.2. Ensayo de traccin de probetas sin material de aporte 1 pasada

MA = Material de aporte.

(*) Probeta descartada para calcular el promedio

4.1.3. Uniones sin material de aporte 2 pasadas

En la tabla 4.3 se muestran los resultados del ensayo de traccin para las probetassoldadas sin material de aporte y con dos pasadas. Se observa que estas probetasalcanzaron valores de esfuerzo de fluencia promedio de 345 MPa, esfuerzo mximopromedio de 470 MPa y elongacin promedio de 17 %. Los valores de esfuerzos defluencia y esfuerzos mximos as como los valores de elongacin, hallados en estasprobetas soldadas sin material de aporte con dos pasadas, disminuyeron en relacin alos valores alcanzados por el material base (tabla 4.1), as como en relacin a lasprobetas soldadas sin material de aporte con una sola pasada (tabla 4.2). Se observaque la zona de rotura en estas probetas estn ms alejadas del centro de la unin queEnsayo de traccin de probetas sin material de aporte 1 pasadaPro-betaPasadasde sold.Seccintrans-versalCargas (kN)Esfuerzos (MPa)DuctilidadPro-betaPasadasde sold.Seccintrans-versalFuerzadefluenciaFuerzamx.Esfuerzodefluencia(0.2)Esfuerzomximo(mx)Longitudentremarcas(mm)Longitudfinalentremarcas(mm)Elon-gacin(%)Zona derotura(me-dida desdeel centrodel cordnen mm)Pro-betaPasadasde sold.rea2(mm )FuerzadefluenciaFuerzamx.Esfuerzodefluencia(0.2)Esfuerzomximo(mx)Longitudentremarcas(mm)Longitudfinalentremarcas(mm)Elon-gacin(%)Zona derotura(me-dida desdeel centrodel cordnen mm)1.1123.988.411.8349.5493.35062.324.6281.2123.868.411.7352.8488.65060.120.228*1.3124.358.510.0349.9412.45055.210.5Centro dela uninMAPromedio351.1491.02228

49las zonas de rotura de las probetas soldadas sin material de aporte con una solapasada.

Tabla 4.3. Ensayo de traccin de probetas sin material de aporte 2 pasadas

4.1.4. Uniones con material de aporte 1 pasada

En la tabla 4.4 se muestran los resultados del ensayo de traccin para las probetassoldadas con material de aporte y con una sola pasada. Se observa que estasprobetas alcanzaron valores de esfuerzo de fluencia promedio de 352 MPa, esfuerzomximo promedio de 477 MPa y una elongacin promedio de 12%. Los valores deesfuerzos de fluencia y esfuerzos mximos hallados en estas probetas soldadas conmaterial de aporte con una sola pasada, aumentaron con relacin a los valoresalcanzados por las probetas hechas sin material de aporte con dos pasadas (tabla4.3). Los resultados para estas probetas se acercan a los valores obtenidos de lasprobetas soldadas sin material de aporte y una sola pasada (tabla 4.2). En el caso dela elongacin, sta disminuyo con relacin a los valores de elongacin obtenidos delas probetas soldadas sin material de aporte. Se observa que la zona de rotura enestas probetas estn ms alejadas del centro que en los dos ensayos para lasprobetas anteriores.Ensayo de traccin de probetas sin material de aporte 2 pasadasProbetaPasadasdesoldaduraSeccintransversalCargas (kN)Esfuerzos (MPa)DuctilidadProbetaPasadasdesoldaduraSeccintransversalFuerzadefluenciaFuerzamx.Esfuerzodefluencia(0.2)Esfuerzomximo(mx)Longitudentremarcas(mm)Longitudfinalentremarcas(mm)Elon-gacin(%)Zona derotura(medidadesde elcentro delcordn enmm)ProbetaPasadasdesoldadurarea2(mm )FuerzadefluenciaFuerzamx.Esfuerzodefluencia(0.2)Esfuerzomximo(mx)Longitudentremarcas(mm)Longitudfinalentremarcas(mm)Elon-gacin(%)Zona derotura(medidadesde elcentro delcordn enmm)2.1224.718.511.5342.0465.05058.517.0362.2224.308.411.3344.0466.35057.815.7362.3223.838.311.4348.3478.05058.617.240Promedio344.8469.81737

50Tabla 4.4. Ensayo de traccin de probetas con material de aporte 1 pasada

4.1.5. Uniones con material de aporte 2 pasadas

En la tabla 4.5 se muestran los resultados del ensayo de traccin para las probetassoldadas con material de aporte y con dos pasadas. Se observa que estas probetasalcanzaron valores de esfuerzo de fluencia promedio de 342 MPa, un esfuerzomximo promedio de 470 MPa y una elongacin promedio de 11 %. Los valores deesfuerzos de fluencia y esfuerzos mximos hallados en estas probetas soldadas conmaterial de aporte con dos pasadas fueron los menores valores obtenidos de todos losensayos de traccin realizados. En el caso de la elongacin, sta disminuyo conrelacin a todos los valores de elongacin, siendo estos los ms bajos entre todos losvalores de elongacin obtenidos. En el ensayo de la probeta 4.3, la rotura se presenten el material base, muy lejos de la zona soldada; adems se aprecia la presencia deuna discontinuidad en la zona de rotura. Es por esto que no se tom en cuenta para elpromedio.

Tabla 4.5. Ensayo de traccin de probetas con material de aporte 2 pasadas

(*) Probeta descartada para calcular el promedio.Ensayo de traccin de probetas con material de aporte 2 pasadasProbetaPasadasdesoldaduraSeccintransversalCargas (kN)Esfuerzos (MPa)DuctilidadProbetaPasadasdesoldaduraSeccintransversalFuerzadefluenciaFuerzamximaEsfuerzodefluencia(0.2)Esfuerzomximo(mx)Longitudentremarcas(mm)Longitudfinalentremarcas(mm)Elon-gacin(%)Zona derotura(medidadesde elcentro delcordn enmm)ProbetaPasadasdesoldadurarea2(mm )FuerzadefluenciaFuerzamximaEsfuerzodefluencia(0.2)Esfuerzomximo(mx)Longitudentremarcas(mm)Longitudfinalentremarcas(mm)Elon-gacin(%)Zona derotura(medidadesde elcentro delcordn enmm)4.1224.628.411.5340.8468.45055.711.51094.2224.418.411.5344.1470.65055.911.945*4.3224.838.311.3332.3454.35052.55.0110Promedio342.4469.51177

Ensayo de traccin de probetas con material de aporte 1 pasadaProbetaPasadasdesoldaduraSeccintransversalCargas (kN)Esfuerzos (MPa)DuctilidadProbetaPasadasdesoldaduraSeccintransversalFuerzadefluenciaFuerzamximaEsfuerzodefluencia(0.2)Esfuerzomximo(mx)Longitudentremarcas(mm)Longitudfinalentremarcas(mm)Elon-gacin(%)Zona derotura(medidadesde elcentro delcordn enmm)ProbetaPasadasdesoldadurarea2(mm )FuerzadefluenciaFuerzamximaEsfuerzodefluencia(0.2)Esfuerzomximo(mx)Longitudentremarcas(mm)Longitudfinalentremarcas(mm)Elon-gacin(%)Zona derotura(medidadesde elcentro delcordn enmm)3.1124.848.611.7346.7471.15056.513.0453.2124.538.711.8352.7479.55055.811.6423.3124.428.711.8355.8481.15055.711.450Promedio351.7477.21246

514.1.6. Discusin de resultados de los ensayos de traccin de las unionessoldadas

Esfuerzo de fluencia (0.2): En la figura 4.1 se muestra en un diagrama de barras,la comparacin entre los esfuerzos de fluencia promedio entre las probetas soldadasy el material base del acero ASTM A36 utilizado. Se observa que los esfuerzos defluencia disminuyen al soldar el material cualquiera sean los parmetros utilizados,obtenindose valores muy similares entre las probetas soldadas con slo unapasada y con dos pasadas, con y sin material de aporte.

Comparacin de esfuerzos defluencia promedio380.0370.0360.0350.0340.0330.0320.0Probetas

Material BaseCon aporte - 1 pasada

Sin aporte - 1 pasadaCon aporte - 2 pasadas

Sin aporte - 2 pasadas

Figura 4.1. Comparacin de esfuerzos de fluencia promedio en probetas soldadas.

Esfuerzo mximo (mx): En la figura 4.2 se muestra en un diagrama de barras, lacomparacin entre los esfuerzos mximos promedio entre las probetas soldadas y elmaterial base del acero ASTM A36 utilizado. Se observa un comportamiento similarrespecto a los esfuerzos de fluencia, pues los esfuerzos mximos a la traccindisminuyen al soldar el material, cualquiera sean los parmetros utilizados. Se

aprecia que los valores de las probetas soldadas con

dos pasadas alcanzaron

valores muy similares. Los mayores valores los alcanzaron las probetas soldadascon una sola pasada, siendo las probetas soldadas sin material de aporte las quealcanzaron mayores valores de esfuerzos mximos a la traccin.94% 94%92% 92%SASA1PaSACACA

MPa

52

Comparacin de esfuerzos mximos promedio

520.0510.0500.0490.0480.0470.0460.0450.0440.0

Material baseCon aporte - 1 pasada



Figura 4.2. Comparacin de esfuerzos mximos promedio en probetas soldadas.

Ductilidad (%): En la figura 4.3 se muestra en un diagrama de barras, la

comparacin entre los porcentajes de elongacin promedio entre las probetassoldadas y el material base del acero ASTM A36 utilizado. Se observa que losvalores de elongacin disminuyen al soldar el material, cualquiera sean losparmetros utilizados. Se aprecia que los mayores valores de porcentaje deelongacin lo presentan las probetas soldadas sin material de aporte con una solapasada, seguidas por las probetas soldadas sin material de aporte con dos pasadas.Los valores ms bajos de porcentajes de elongacin para este ensayo de traccin,los alcanzaron las probetas soldadas con material de aporte con una y dos pasadas.

Comparacin de % de elongacin promedio

35.030.025.020.015.010.05.00.0Probetas

Material baseCon aporte - 1 pasada



Figura 4.3. Comparacin de porcentaje de elongacin promedio en probetas soldadas.96%93%92%92%CA1Pa

53%CA2Pa1PaCA2Pa

MPa% Elongacin

534.2. Ensayo de microdureza Vickers

En las siguientes tablas y grficos se muestran los resultados de los ensayos demicrodureza realizados en las probetas hechas de los cupones soldados condiferentes parmetros de soldadura. Las indentaciones se realizaron desde el centrode la probeta (zona de fusin), hasta llegar al material base a la derecha. La distanciaentre indentacin e indentacin fue de 0,5 milmetros en la zona afectada por el calor;cuando se lleg al material base, la distancia entre indentaciones fue de 2 milmetros.

4.2.1. Uniones sin material de aporte 1 pasada (Probeta 1)

En la tabla 4.6 se muestran los valores de dureza obtenidos mediante el ensayo demicrodureza Vickers realizado en la probeta soldada sin material de aporte con unasola pasada. Se realizaron trece indentaciones partiendo el centro de la probeta (zonade fusin), hasta 9.5 milmetros a la derecha, es decir hasta estar en el material base.

Tabla 4.6. Ensayo de dureza de probeta sin material de aporte 1 pasada

En la figura 4.4 se muestra la curva de dureza obtenida con todos los valores dedureza. Se observa que los mayores valores de dureza obtenidos se encuentran en elcentro de la probeta, es decir, la zona de fusin. Esta zona alcanz la ms altatemperatura y tambin la mayor velocidad de enfriamiento, por ello su durezaPROBETA 1: Sin material de aporte - 1 pasadaNmerode huellaDistancia delcentro ala huella (mm)Diagonal 1(m)Diagonal 2(m)Diagonalpromedio(m)HV10.552.548.050.25146.921.053.549.551.50139.831.552.550.051.25141.242.053.051.552.25135.952.552.051.051.50139.863.055.050.552.75133.373.554.551.553.00132.084.053.052.052.50134.694.553.553.053.25130.8105.053.052.552.75133.3115.554.053.553.75128.4127.555.552.053.75128.4139.554.553.053.75128.4

54aumenta, a diferencia de las zonas alejadas. A medida que las indentaciones se vanalejando de la zona fundida, los valores de dureza disminuyen hasta llegar a la durezadel material base. Para esta probeta no se alcanzaron dureza muy elevadas en elcentro de la probeta; la mayor dureza alcanzada en esta probeta fue de 147 HV en lazona de fusin. Asimismo en la figura 4.4 se muestra la tendencia de la curva dedureza que va desde el centro de la unin soldada hasta llegar al material base. Losvalores de dureza alcanzados por esta probeta soldada sin material de aporte con unasola pasada, obtenidos en el centro de la unin soldada (zona de fusin) fueron losmenores valores alcanzados en comparacin a las dems probetas. Es por esta raznque la curva de tendencia es la ms suave entre las cuatro probetas. Se apreciatambin que la zona afectada por el calor presenta un valor de 5,5 milmetros desde elcentro de la probeta.

Probeta 1

160,0155,0150,0145,0140,0135,0

130,0125,0120,0

ZAC

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

Distancia al centro (mm)

Figura 4.4. Curva de dureza HV para la probeta sin material de aporte 1 pasada

4.2.2. Uniones sin material de aporte 2 pasadas (Probeta 2)

En la tabla 4.7 se muestran todos los valores de dureza obtenidos mediante el ensayode microdureza Vickers realizado en la probeta soldada sin material de aporte con dospasadas. Se realizaron trece indentaciones partiendo el centro de la probeta (zona defusin), hasta 10,5 milmetros a la derecha, es decir hasta estar en el material base.HV

55Tabla 4.7. Ensayo de dureza de probeta sin material de aporte 2 pasadas

En la figura 4.5 se muestra la curva de dureza realizada con todos los valores dedureza obtenidos con este ensayo para la probeta. Se observa, que al igual que lamuestra anterior, los mayores valores de dureza obtenidos se encuentran en el centrode la probeta, es decir, la zona de fusin. Esta probeta alcanz durezas de 171 HV,mayores que en las obtenidas con la probeta 1. A medida que las indentaciones seiban haciendo hacia la derecha, los valores de dureza iban disminuyendo hasta llegara la dureza del material base. Asimismo en la figura 4.5 se muestra la tendencia de lacurva de dureza que va desde el centro de la unin soldada hasta llegar al materialbase. En esta curva de tendencia se observa claramente el aumento de la dureza enel centro de la unin soldada con respecto a la probeta 1. Se aprecia tambin que lazona afectada por el calor llega hasta 6.5 milmetros hacia la derecha del centro de laprobeta (zona de fusin).PROBETA 2: Sin material de aporte - 2 pasadasNmerode huellaDistancia delcentro ala huella (mm)Diagonal 1(m)Diagonal 2(m)Diagonalpromedio(m)HV10.547.046.046.50171.521.048.047.047.50164.431.550.047.048.50157.742.050.046.048.00161.052.551.048.049.50151.463.048.048.048.00161.073.552.550.051.25141.284.054.052.053.00132.094.554.554.054.25126.0105.554.053.053.50129.6116.554.054.554.25126.0128.555.054.054.50124.91310.555.553.554.50124.9

56

Probeta 2

180,0170,0160,0150,0140,0130,0120,0110,0100,0

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12


Figura 4.5. Curva de dureza HV para la probeta sin material de aporte 2 pasadas

4.2.3. Uniones con material de aporte 1 pasada (Probeta 3)

En la tabla 4.8 se muestran los valores de dureza obtenidos mediante el ensayo demicrodureza Vickers realizado en la probeta soldada con material de aporte con unapasada. Se realizaron catorce indentaciones partiendo el centro de la probeta (zona defusin), hasta 7.5 milmetros a la derecha, es decir hasta estar en el material base.

Tabla 4.8. Ensayo de dureza de probeta con material de aporte 1 pasadaPROBETA 3: Con material de aporte - 1 pasadasNmerode huellaDistancia delcentro ala huella (mm)Diagonal 1 (m)Diagonal 2 (m)Diagonalpromedio(m)HV10.550.050.050.00148.421.050.050.050.00148.431.550.050.050.00148.442.053.551.052.25135.952.553.552.052.75133.363.052.552.552.50134.673.553.053.053.00132.084.054.053.053.50129.694.556.051.553.75128.4105.056.554.055.00122.6115.556.056.055.00122.6126.056.554.555.50120.4136.556.555.556.00118.3147.556.556.056.25117.2

ZAC

HV

57En la figura 4.6 se muestra la curva de dureza realizada con todos los valores dedureza obtenidos con este ensayo para la probeta soldada con material de aporte conuna pasada (probeta 3). Se observa que los mayores valores de dureza obtenidos seencuentran en el centro de la probeta, es decir, la zona de fusin. Esta probetaalcanz durezas de 148 HV, similares a las obtenidas por la probeta soldada sinmaterial de aporte con una pasada (probeta 1). A medida que las indentaciones seiban haciendo hacia la derecha, los valores de dureza iban disminuyendo hasta llegara la dureza del material base. Asimismo se muestra la tendencia de la curva de durezaque va desde el centro de la unin soldada hasta llegar al material base. En esta curvade tendencia se observa, como en la probeta 1, que la variacin de durezas entre elcentro de la unin soldada y el material base, no es tan alta como en el caso de laprobeta 2. Se aprecia tambin que la zona afectada por el calor llega hasta 6milmetros desde el centro de la probeta.

Probeta34

160,0

150,0

140,0

130,0

120,0

110,0

100,0

ZAC

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9


Figura 4.6. Curva de dureza HV para la probeta con material de aporte 1 pasada

4.2.4. Uniones con material de aporte 2 pasadas (Probeta 4)

En la tabla 4.9 se muestran los valores de dureza obtenidos mediante el ensayo demicrodureza Vickers realizado en la probeta soldada con material de aporte con dospasadas. Se realizaron catorce indentaciones partiendo el centro de la probeta (zonade fusin), hasta llegar al material base.HV

58Tabla 4.9. Ensayo de dureza de probeta con material de aporte 2 pasadas

En la figura 4.7 se muestra la curva de dureza obtenida. Se observa que los mayoresvalores de dureza obtenidos se encuentran en el centro de la probeta, es decir, la zonade fusin. Esta probeta alcanz durezas de 196 HV, mayores que en las obtenidas conlas probeta 3. A medida que las indentaciones se iban haciendo hacia la derecha, losvalores de dureza iban disminuyendo hasta llegar a la dureza del material base.Asimismo se muestra la tendencia de la curva de dureza que va desde el centro de launin soldada hasta llegar al material base. En esta curva de tendencia se observa lagran variacin de dureza entre el centro de la unin soldada y el material base; lavariacin es superior a los ensayos anteriores. Se aprecia tambin que la zonaafectada por el calor llega hasta 8.5 milmetros desde el centro de la probeta.PROBETA 4: Con material de aporte - 2 pasadasNmerode huellaDistancia delcentro ala huella (mm)Diagonal 1(m)Diagonal 2(m)Diagonalpromedio(m)HV10.543.044.043.50196.021.043.545.044.25189.431.544.045.044.50187.342.044.044.544.25189.452.545.045.045.00183.263.045.046.545.75177.273.545.046.545.75177.284.049.049.049.00154.594.550.551.551.00142.6105.551.551.551.50139.8116.555.053.054.00127.2127.554.051.552.75133.3138.556.554.055.25121.5149.557.055.056.00118.3

59

Probeta 3

220,0

200,0

180,0

160,0

140,0

120,0

100,0

ZAC

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13


Figura 4.7. Curva de dureza HV para la probeta con material de aporte 2 pasadas

Zona de rotura: En la tabla 4.10 se muestran las longitudes de las ZAC de lascuatro probetas soldadas con sus diferentes parmetros, indicando la zona y lugarde rotura.

Tabla 4.10. Longitudes de ZAC de las probetas soldadas

Se aprecia que la rotura en todas las muestras se ubic en el material base, en unazona alejada de la ZAC, indicando que los valores de las propiedades mecnicasobtenidas en el ensayo de traccin fueron los del material base y no del metal desoldadura ni de la zona afectada por el calor.ProbetaMaterial de aporteNmero depasadasAncho total deZAC (mm)Zona de rotura medidadesde el centro (mm)1Sin material de aporte1 pasada1128 (Material base)2Sin material de aporte2 pasadas1337 (Material base)3Con material de aporte1 pasada1277 (Material base)4Con material de aporte2 pasadas1746 (Material base)

HV4

604.3. Ensayo de doblado

En las siguientes figuras se muestran los resultados de los ensayos de doblado, decara y de raz, realizados en las probetas hechas de los cupones soldados condiferentes parmetros de soldadura.

En las figuras 4.12 y 4.13 se muestran las probetas soldadas sin material de aportecon una sola pasada, con doblado de cara y de raz respectivamente. Se aprecia queen ninguno de los dos casos se presentan fisuras ni agrietamientos.

Figura 4.12. Doblado de cara en la probeta 1

Figura 4.13. Doblado de raz en la probeta 1

En las figuras 4.14 y 4.15 se muestran las probetas soldadas sin material de aportecon dos pasadas, con doblado de cara y de raz respectivamente. Se aprecia que enninguno de los dos casos se presentan fisuras ni agrietamientos.



En las figuras 4.16 y 4.17 se muestran las probetas soldadas con material de aportecon una sola pasada, con doblado de cara y de raz respectivamente.

61Se aprecia que en ninguno de los dos casos se presentan fisuras ni agrietamientos.



En las figuras 4.18 y 4.19 se muestran las probetas soldadas con material de aportecon dos pasadas, con doblado de cara y de raz respectivamente. Se aprecia que enninguno de los dos casos se presentan fisuras ni agrietamientos.



4.4. Metalografa

En las siguientes figuras se muestran los resultados de la metalografa y lacaracterizacin microestructural de las secciones transversales de las cuatro probetassoldadas mediante el proceso GTAW con diferentes parmetros. Se caracterizaron lastres zonas de las probetas soldadas, es decir, el material base, la zona afectadatrmicamente (ZAT) y la zona fusin para las probetas soldadas sin material de aportey el metal de soldadura para las probetas soldadas con material de aporte. Para lasfotomicrografas se utilizaron aumentos de 200X y 500X.

624.4.1. Probeta sin material de aporte 1 pasada

Figura 4.20. Material base izquierda (x200)

Figura 4.22. ZAT izquierda (x200)


Figura 4.23. Zona de fusin (x200)

63a) Material base: En la figura 4.20 se muestra el material base de la seccin izquierdade la probeta sin material de aporte con una pasada, a 200 aumentos.


Microestructura:

MatrizOtrosTamao de granoInclusiones

Caracterizacin:MaterialEstado del materialMaterial de aporteTipo de discontinuidad

: Ferrita equiaxial.: Perlita laminar fina 10% y carburo globular fino.: N 8 - ASTM E112-97.: Del tipo sulfuro serie fina N2 - ASTM E45 96.

: Microestructura compatible con acero de bajo carbono.: Compatible con estado de normalizado.: Sin material de aporte.: Perlita ligeramente deformada.

64b) Zona afectada trmicamente: En las figuras 4.21 y 4.22 se muestra la zonaafectada trmicamente de la seccin izquierda de la probeta sin material de aporte conuna pasada, a 200 aumentos.


Microestructura:



Caracterizacin:MaterialEstadoaaaaaaaaaaaaaaaaaaaaMaterial de aporteTipo de discontinuidad

: Ferrita acicular, reticular y equiaxial.: Perlita fina globulizada y carburo globular fino.: ASTM E112 - 97.: Del tipo sulfuro. ASTM E45 96.

: Microestructura compatible con acero de bajo carbono.: Microestructura compatible con zona afectadatrmicamente.: Sin material de aporte.: Microestructura distorsionada.

65c) Zona de fusin: En la figura 4.23 se muestra la zona de fusin de la probeta sinmaterial de aporte con una pasada, a 200 aumentos.


Microestructura:


Caracterizacin:MaterialEstadoMaterial de aporteTipo de discontinuidad

: Ferrita acicular y reticular.: Carburo globular fino.: N 8 - ASTM E112 97.: Del tipo no metlico. ASTM E45 96.

: Microestructura compatible con acero de bajo carbono.: Microestructura compatible con estado de colada.: Sin material de aporte.: Microestructura ferrtica acicular.

664.4.2. Probeta sin material de aporte 2 pasadas

Figura 4.24. Material base (x200)




67a) Material base: En la figura 4.28 se muestra el material base de la seccin izquierdade la probeta sin material de aporte con dos pasadas, a 500 aumentos.

Figura 4.28. Material base (x500)

Microestructura:


Caracterizacin:MaterialEstadoMaterial de aporteTipo de discontinuidada

: Ferrita equiaxial.: Perlita laminar fina 10% y carburo globular fino.: N 8 - ASTM E112 97.: Del tipo sulfuro serie fina N2 - ASTM E45 96.

: Microestructura compatible con acero de bajo carbono.: Microestructura compatible con estado de normalizado.: Sin material de aporte.: Microestructura perlita bandeada y ferrita equiaxialaaaadeformada.

68b) Zona afectada trmicamente: En las figuras 4.29 y 4.30 se muestran la zonaafectada trmicamente de la seccin izquierda de la probeta sin material de aporte condos pasadas, a 500 aumentos.


Microestructura:



Caracterizacin:MaterialEstadoaMaterial de aporteTipo de discontinuidad

: Ferrita acicular y reticular.: Perlita fina esferoidal en colonias y carburo globular fino.: ASTM E112 97.: Del tipo sulfuro. ASTM E45 96.

: Microestructura compatible con acero de bajo carbono.: Microestructura compatible con zona afectadaaaaaaaaatrmicamente.: Sin material de aporte.: Microestructura distorsionada.

69

c) Zona de fusin: En la figura 4.31 se muestra la zona de fusin de la probeta sinmaterial de aporte con dos pasadas, a 500 aumentos.


Microestructura:



: Ferrita acicular y reticular.: Carburo globular fino.: N 8 - ASTM E112 97.: Del tipo no metlico. ASTM E45 96.

: Microestructura compatible con acero de bajo carbono.: Microestructura compatible con estado de colada.: Sin material de aporte.: Microestructura ferrtica acicular.

704.4.3. Probeta con material de aporte 1 pasada

Figura 4.32. Material base Izquierda (x200)



Figura 4.35. Material de aporte (x200)

71a) Material base: En la figura 4.36 se muestra el material base de la seccin izquierdade la probeta con material de aporte con una pasada, a 500 aumentos.


Microestructura:



: Ferrita equiaxial: Perlita lami

Documents

Procesos Soldadura Tig