1. estudio de la soldabilidad de acero astm a-36 con acero vcl mediante el proceso smaw y pos

8/18/2019 1. Estudio de La Soldabilidad de Acero Astm a-36 Con Acero Vcl Mediante El Proceso Smaw y Pos

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTÍN

FACULTAD DE INGENIERÍA DE PROCESOS

ESCUELA PROFESIONAL DE INGENIERÍA DE MATERIALES

“ESTUDIO DE LA SOLDABILIDAD DE ACERO ASTM A-36 CON ACEROVCL MEDIANTE EL PROCESO SMAW Y POSTERIOR CALIFICACION DEL

PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA”

Tesis Presentado por losBachilleres:

Jonathan Paul Janampa HuancolloJuan Luis Surco Alzamora

Para optar el Título Profesional deIngenieros de Materiales.

AREQUIPA-PERU

DICIEMBRE 2015


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DEDICATORIA

Dedico esta Tesis a mis padres Luis y Juana, por serel pilar fundamental en todo lo que soy; a mis

hermanos Rudy y Joselo, quienes a pesar de la

distancia me motivan a seguir adelante, los quiero

mucho; a mis tíos Roberto y Delia, a mis primitas Ita

y Robertita, por su ejemplo y apoyo desinteresado;a mi enamorada Patricia, quien ha sido el impulso

durante toda mi carrera.

Juan L uis Surco Alzamora.

Para ti mama Rosita, que desde arriba iluminas mi

camino y bendices la familia que siempre me apoyó,gracias por ponerme una segunda madre y unos

hermanos maravillosos a quien amo con todas mis

fuerzas, todo lo que soy es gracias a ustedes, el

primer paso de muchos esta cumplido.

Jonathan Paul Janampa Huancollo.


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RESUMEN

En la Industria metal-mecánica, generalmente se usa aceros estructurales para

construcciones soldadas, como es el caso del acero ASTM A36, cuya

característica principal es su fácil soldabilidad, sin embargo hay puntos críticos

en los que este acero, por sus bajas propiedades mecánicas, no llega a cubrir

los requerimientos y se opta por mejorar sus características mediante diversos

tratamientos, ya sean físico, químicos, térmicos, etc., generando un alto costo,

pero aun así, en ciertos casos, no se llega a cubrir las exigencias que la puesta

en servicio requiere; buscando el reemplazo de éste. En este trabajo se propone

el uso del acero VCL para lograr cubrir las expectativas requeridas, y cumplircon el trabajo predispuesto, para esto, en este proyecto de investigación se ha

estudiado la soldabilidad de un material muy común en la Industria ASTM A-36

junto con un acero que no es muy común Acero Bohler VCL (AISI 4140) el cual

por su alto contenido de carbono, sus contenidos aleantes y su tratamiento

térmico (Bonificado) demuestra una desventaja enorme al momento de crear

una soldadura.

Para el estudio de esta Soldabilidad, se siguió una serie de pasos en los cualesse investigaron las Variables Esenciales del Procedimiento de Soldadura, entre

estas tenemos la determinación de la temperatura PRE-CALENTAMIENTO,

variable mediante el cual se evita la aparición de fisuras superficiales, y/o

discontinuidades internas (poros, fisuracion en caliente, en frio, etc), así mismo

se evaluó el tipo de electrodo o material de aporte debe estar especificado en el

procedimiento, la posición de soldadura, los parámetros de soldadura(voltaje,

Amperaje, velocidad de avance, pases de soldadura, etc) , y todos estos bajo elcriterio de aceptación de la AWS D1.1 que es el código mandatorio para

Soldaduras Estructurales.

En la investigación se demostró que si se procede con la soldadura a

temperaturas menores de 100°C tiene mayor tendencia a la creación de

discontinuidades tales como fisuras en el cordón de soldadura y en la zona

afectada por el calor (ZAC) que afectan al servicio pudiendo ocurrir fallos en las

uniones soldadas, sin embargo con un Pre-Calentamiento de 150°C a 200°C

estas se evitan y crean una soldadura de Buena Calidad, que se garantiza


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mediante la aplicación de Ensayos, tanto Destructivos Y No Destructivos,

adicionalmente por recomendaciones del fabricante nos sugiere de no exceder

un Pre-Calentamiento mayor a los 200°C porque se afectaría el Bonificado que

tiene el Acero VCL y como resultado tendríamos tendencias a debilitar y

disminuir las ventajosas características mecánicas del acero VCL.

Por lo tanto esta investigación sobre la unión de Aceros de diferente

Composición química quedaría a solamente ser aprobada por un Inspector de

Soldadura Certificado (Certified Welding Inspector CWI – AWS), para su

posterior uso y aplicación en cualquier empresa del Rubro Metal-Mecánico


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ÍNDICE

CAPITULO 1: ......................................................................................................................... 1

MARCO METODOLOGICO .......................................................................................... 11.1. INTRODUCCIÓN: .................................................................................................... 1

1.2. ANTECEDENTES ..................................................................................................... 2

1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .......................................................................... 3

1.4. HIPÓTESIS .............................................................................................................. 4

1.5. OBJETIVOS ............................................................................................................. 5

1.5.1. Objetivo General ................................................................................................... 5

1.5.2. Objetivos Específicos ............................................................................................. 5

1.6. METODOLOGÍA ...................................................................................................... 6

1.6.1. Objetivo Especifico 1 ............................................................................................. 6




1.7. PLAN DE TRABAJO .................................................................................................. 7

1.7.1. ACTIVIDADES ......................................................................................................... 7

CAPITULO 2: ............................................................................................................... 8

MARCO CONCEPTUAL............................................................................................... 8

2.1. INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA DE LA SOLDADURA ................................................. 8

2.1.1 IMPORTANCIA. ........................................................................................................... 8

2.1.2 APLICACIONES DE LA SOLDADURA. .............................................................................. 9

2.2 METALURGIA DE LA SOLDADURA................................................................................. 10

2.2.1 DEFINICION ............................................................................................................... 10

2.2.2 ESTRUCTURA CRISTALINA .......................................................................................... 11

2.2.5 CONSTITUYENTES MICRO ESTRUCTURALES DE LOS ACEROS ...................................... 14

2.2.5.1. CRISTALIZACIÓN. ................................................................................................... 14

2.2.5.2. LÍMITES DE GRANO. ............................................................................................... 15

2.2.6. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO .............................................................................. 16

2.2.6.1. ALEACIONES HIERRO – CARBONO .......................................................................... 17

2.2.6.2. TIPOS DE ACERO .................................................................................................... 18

2.2.7 SOLDADURAS ......................................................................................................... 22

2.2.7.1 ORIGEN DE LA ESTRUCTURA PRIMARIA EN SOLDADURA ........................................ 23


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2.2.7.2 ORIGEN DE LA ESTRUCTURA SECUNDARIA EN SOLDADURA ................................... 26

2.2.7.3 DIAGRAMAS TTT (TEMPERATURA – TRANSFORMACÓN – ...................................... 27

2.2.7.4 TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO ........................................................... 29

2.2.7.5 TRANSFORMACIONES EN LA ZONA AFECTADA POR EL CALOR .............................. 29

2.2.8 PRE-CALENTAMIENTO ............................................................................................. 34

2.2.9 POST-CALENTAMIENTO .......................................................................................... 35

2.2.10 FISURACIÓN POR HIDRÓGENO ............................................................................ 36

2.2.11 CARBONO EQUIVALENTE: .................................................................................... 38

2.3 DETERMINACION DEL PRECALENTAMIENTO EN LA SOLDADURA DE ............................. 39

2.3.1 INTRODUCCIÓN ........................................................................................................ 39

2.3.2 MÉTODOS. ............................................................................................................ 41

2.3.3 CONTROL DUREZA EN LA ZAC ................................................................................ 42

2.3.4. CONTROL DE HIDROGENO..................................................................................... 43

2.3.5. SELECCIÓN DEL MÉTODO. ..................................................................................... 44

2.3.6. APLICACIÓN DEL MÉTODO DE CONTROL DE DUREZA ............................................ 45

2.3.7 APLICACIÓN DEL MÉTODO DE CONTROL DE HIDROGENO. .................................... 46

2.4. CONCEPTOS BÁSICOS DE SOLDADURA ...................................................................... 50

2.4.1 PROPIEDADES DE LOS METALES ............................................................................ 50

2.4.1.1 PROPIEDADES FÍSICAS .......................................................................................... 50

2.4.1.2 PROPIEDADES MECÁNICAS .................................................................................. 50

2.4.1.3 ESPECIFICACIONES DE METALES Y CLASIFICACIÓN DE ACEROS ............................. 51

2.4.1.4 INFLUENCIA DE LOS ELEMENTOS DE ALEACIÓN EN LOS ACEROS .......................... 52

2.4.2 DEFINICIONES BÁSICAS DE SOLDADURA .................................................................. 54

2.4.3 TIPOS DE UNIONES: ................................................................................................. 55

2.4.4 TIPOS DE SOLDADURAS ........................................................................................... 57

2.4.5 TIPOS DE PREPARACIÓN DE SOLDADURAS ............................................................... 592.4.6 TERMINOLOGÍA ....................................................................................................... 62

2.4.6.1 TÉRMINOS ASOCIADOS A LAS SOLDADURAS EN ÁNGULO ..................................... 62

2.4.6.2 CARA Y RAÍZ DE UNA SOLDADURA ....................................................................... 63

2.4.6.3 NÚMERO DE PASADAS ......................................................................................... 64

2.4.6.4 PENETRACIÓN DE UNAS SOLDADURA .................................................................. 65

2.4.6.5 SOLDADURAS POR EL REVERSO, SOLDADURA CON RESPALDO Y SOLDADURA DE

RESPALDO .......................................................................................................................... 66

2.4.6.6 VELOCIDAD DE SOLDEO ....................................................................................... 68


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2.4.6.7 EXTENSIÓN DEL ELECTRODO, EXTREMO LIBRE DEL ELECTRODO Y LONGITUD DEL

ARCO ........................................................................................................................... 68

2.4.6.8 POSICIONES DE SOLDEO. ........................................................................................ 69

2.4.7 PREPARACIÓN DE LAS PIEZAS Y PARÁMETROS A UTILIZAR EN FUNCIÓN DE LA

POSICIÓN ........................................................................................................................... 72

2.4.8 TÉCNICAS DE SOLDEO ................................................................................................ 73

2.4.8.1 ORIENTACIÓN DEL ELECTRODO ............................................................................ 73

2.4.8.2 SOLDEO HACIA DELANTE Y HACIA ATRÁS ............................................................... 74

2.5. PROCESO DE SOLDADURA Y CORTE ...................................................................... 78

2.5.1 SOLDADURA POR ARCO DE METAL PROTEGIDO (SMAW) ........................................... 78

2.5.2 SOLDADURA POR ARCO DE METAL Y GAS (GMAW).............................................. 82

2.5.3. SOLDADURA DE TUNGSTENO CON PROTECCIÓN DE GAS (GTAW) ....................... 862.5.4 SOLDADURA POR ARCO CON NÚCLEO DE FUNDENTE (FCAW).............................. 89

2.5.5 SOLDADURA POR ARCO SUMERGIDO .................................................................. 93

2.5.6 PROCESO DE SOLDADURA MANUAL POR ARCO (MMA) ....................................... 96

2.5.7 PROCESOS DE CORTE ........................................................................................... 98

2.6. CÓDIGOS Y ESPECIFICACIONES DE SOLDADURA ................................................. 101

2.6.2 CLASIFICACIÓN DE LOS CÓDIGOS Y ESPECIFICACIONES EN SOLDADURA ............. 101

2.7. ENSAYOS DESTRUCTIVOS. .................................................................................. 106

2.7.1 ENSAYO DE RESISTENCIA A LA TENSIÓN. .................................................................. 106

2.7.2 ENSAYO DE SANIDAD DE SOLDADURAS. .................................................................. 109

2.7.3 ENSAYO DE RESISTENCIA AL IMPACTO. .................................................................... 113

2.7.4 ENSAYO DE DUREZA. ............................................................................................... 115

2.7.4.1 DUREZA BRINELL ................................................................................................ 115

2.7.4.2 DUREZA ROCKWELL ........................................................................................... 116

2.7.4.3 MICRO DUREZA ................................................................................................. 117

2.8. CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA Y SOLDADORES ................ 119

2.8.1 PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA.......................................................................... 119

2.8.2 CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA. ............................................. 120

2.8.3 CALIFICACIÓN DE SOLDADORES. .............................................................................. 123

2.9. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS ............................................................................. 126

2.9.1 ANTECEDENTES ....................................................................................................... 127

2.9.2 APLICACIONES ......................................................................................................... 128

2.9.3 MÉTODOS Y TÉCNICAS ............................................................................................. 130

2.9.3.1 PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS SUPERFICIALES ..................................................... 130


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2.9.3.2 PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS VOLUMÉTRICAS .................................................... 131

2.9.3.3 PRUEBAS NO DESTRUCTIVAS DE HERMETICIDAD ............................................... 132

2.9.4 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS USADOS PARA CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS Y DE

SOLDADORES ................................................................................................................... 133

2.9.4.1 INSPECCIÓN VISUAL ........................................................................................... 133

2.9.4.2 LIQUIDOS PENETRANTES .................................................................................... 138

2.9.4.3 ULTRASONIDO INDUSTRIAL ................................................................................ 140

2.10 DISCONTINUIDADES EN UNIONES SOLDADAS ........................................................ 147

2.10.1 INTRODUCCIÓN .................................................................................................. 147

2.10.2 GRIETAS .............................................................................................................. 149

2.10.3 FALTA DE FUSIÓN................................................................................................ 152

2.10.4 FALTA DE PENETRACIÓN ..................................................................................... 153

2.10.5 INCLUSIONES ...................................................................................................... 154

2.10.6 POROSIDAD ........................................................................................................ 155

2.10.7 SOCAVACIÓN ...................................................................................................... 156

2.10.9 TRASLAPE ............................................................................................................ 157

2.10.10 CONVEXIDAD ...................................................................................................... 157

2.10.11 SOBREESPESOR DE SOLDADURA ......................................................................... 158

2.10.12 GOLPE DE ARCO .................................................................................................. 1592.10.13 SALPICADURAS O CHISPORROTEO ...................................................................... 159

2.10.14 LAMINACIÓN ...................................................................................................... 160

2.10.15 DESGARRAMIENTO LAMINAR ............................................................................. 160

2.10.16 GRIETAS Y PLIEGUES DE LAMINACIÓN................................................................. 161

2.10.17 DISCONTINUIDADES DIMENSIONALES................................................................. 161

2.10.18 DEFECTOS EN LASER Y SOLDADURA POR HAZ DE ELECTRONES ............................ 162

CAPÍTULO 3 ............................................................................................................ 163

ESTUDIO DE LA SOLDABILIDAD DE ACUERDO A CODIGO AWS D1.1 ........... 163

3.1 PROPIEDADES DE RESISTENCIA A LA TRACCION DE MATERIALES A UTILIZAR .......... 163

3.2 CARBONO EQUIVALENTE ........................................................................................ 163

3.3 UBICACIÓN EN EL DIAGRAMA DE GRAVILLE ............................................................ 166

CAPÍTULO 4 ........................................................................................................... 170

PARTE EXPERIMENTAL ......................................................................................... 170

4.1. DETERMINACION DE PROPIEDADES MECANICAS PARA ACEROS ASTM A36 Y VCL .... 170

4.2. DETERMINACION DE PROPIEDADES MECANICAS PARA EL ACERO ASTM A36. ........... 171

4.3. DETERMINACION DE PROPIEDADES MECANICAS PARA EL ACERO VCL. ...................... 169


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4.4. PROCESO DE SOLDADURA........................................................................................ 173

4.5. INSPECCIONES DE SOLDADURA ................................................................................ 175

CAPÍTULO 5 ............................................................................................................ 179

RESULTADOS Y CONCLUSIONES ........................................................................ 179

CAPITULO 6 ............................................................................................................ 182

6.1 ANEXOS............................................................................................................ 182


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ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1 Soldadura por Fusión ...................................................................................... 9 Figura 2 Aplicación de la Soldadura ............................................................................ 10 Figura 3 Celda Unitaria BCC ........................................................................................ 11 Figura 4 Celda Unitaria FCC......................................................................................... 12 Figura 5 Celda Unitaria HCP ........................................................................................ 12 Figura 6 Soluciones Solidas ......................................................................................... 13 Figura 7 Formas Cristalinas Alotrópicas del Fe a distintas Temperaturas ................... 14 Figura 8 Proceso de formación de granos ................................................................... 15 Figura 9 Esquema de Limite de granos ....................................................................... 15 Figura 10 Diagrama Hierro - Carbono ......................................................................... 16 Figura 11 Aleaciones Hierro - Carbono ....................................................................... 18 Figura 12 Micrografía de la Ferrita ............................................................................. 19

Figura 13 Micrografía de la Perlita .............................................................................. 20 Figura 14 Micrografía de la Austenita ......................................................................... 21 Figura 15 Crecimiento epitaxial producido durante la solidificación de una zona de

soldadura con fusión de metal ................................................................... 25 Figura 16 Iimagen de Crecimiento epitaxial. .............................................................. 26 Figura 17 Diagrama Temperatura - Transformación - Tiempo. ................................... 28 Figura 18 Esquematización de efectos sobre la forma de los granos al laminar una

chapa.. ........................................................................................................ 30 Figura 19 Relación entre las temperaturas picos experimentadas por diversas

regiones en un cordón soldado y como se correlacionan con el diagrama de

fase hierro-carbono. ................................................................................... 33 Figura 20 Esquema de Distribución del Calor de acuerdo al Tipo de Junta ................. 35 Figura 21 Solubilidad del Hidrogeno en el Acero. ....................................................... 37 Figura 22 Fisuras generadas por presencia de Hidrogeno .......................................... 39 Figura 23 Fórmula Para Determinar El Parámetro De Composición ........................... 46 Figura 24 DIAGRAMA DE GRAVILLE ............................................................................ 48 Figura 25 Velocidad de Enfriamiento Crítica para 350 HV y 400HV ............................ 48 Figura 26 Geometría de chaflán de Soldadura ............................................................ 61 Figura 27 Desalineamiento De La Unión De Soldadura............................................... 62 Figura 28 Terminologia De Las Soldaduras En Angulo ................................................ 62

Figura 29 Soldaduras En Angulo Intermitentes........................................................... 63 Figura 30 Cara Y Raiz De Una Soldadura ..................................................................... 64 Figura 31 Cordones De Soldadura Y Capas De Soldadura ........................................... 64 Figura 32 Soldaduras Con Penetracion Completa ....................................................... 65 Figura 33 Soldadura Con Penetracion Parcial ............................................................. 65 Figura 34 Soldadura Por El Reverso ............................................................................ 66 Figura 35 Soldadura Con Respaldo ............................................................................. 67 Figura 36 Soldadura De Respaldo ............................................................................... 67 Figura 37 Nomenclatura De La Pistola Para Soldeo Por Arco Con Gas ........................ 69 Figura 38 Posiciones de Soldeo ................................................................................... 72

Figura 39 Preparacion De Piezas Para Soldeo En Cornisa ........................................... 73 Figura 40 Angulo De Trabajo del Electrodo ................................................................ 74

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Figura 41 Angulo de Desplazamiento del Electrodo ................................................... 75 Figura 42 Simbologia de la Soldadura ......................................................................... 77 Figura 43 Equipo Para Proceso Smaw ......................................................................... 80 Figura 44 Clasificación Para Electrodos De Soldadura ................................................ 81 Figura 45 Proceso SMAW............................................................................................ 82

Figura 46 Tipos de Transferencia, Proceso GMAW ..................................................... 84 Figura 47 Proceso GTAW ............................................................................................ 87 Figura 48 Proceso FCAW ............................................................................................. 89 Figura 49 Proceso SAW ............................................................................................... 94 Figura 50 Portada del Código ASME Sección IX ........................................................ 102 Figura 51 Portada del Código de Soldadura Estructural AWS D1.1 ........................... 104 Figura 52 Ensayo de Traccion.................................................................................... 108 Figura 53 Probeta para Ensayo de Tracción .............................................................. 109 Figura 54 Ensayo de Doblamiento ............................................................................ 111 Figura 55 Probeta para ensayo de Nick Break .......................................................... 113

Figura 56 Ensayo de Impacto o Charpy ..................................................................... 114 Figura 57 Penetrador Brinell ..................................................................................... 115 Figura 58 Ensayo de Dureza Rockwell....................................................................... 117 Figura 59 Ensayo de Dureza Knoop e Indentador Vickers ........................................ 118 Figura 60 Registro de Calificación de Soldador – Homologación .............................. 125 Figura 61 Inspección mediante Partículas Magnéticas y Líquidos Penetrantes ........ 130 Figura 62 Placa Radiográfica ..................................................................................... 131 Figura 63 Esquema de Ultrasonido ........................................................................... 132 Figura 64 Prueba de Burbuja .................................................................................... 133 Figura 65 Inspección Visual en Pase de Raíz ............................................................. 134

Figura 66 Inspección Visual Mediante Bridge Cam .................................................... 137 Figura 67 inspección Visual mediante Galg Gage Fillet ............................................. 138 Figura 68 Inspección mediante Líquidos Penetrantes .............................................. 140 Figura 69 Incidencia de Haz Angular de Ultrasonido ................................................ 142 Figura 70 Calibración de Equipo de Ultrasonido ....................................................... 144 Figura 71 Técnica De Radiografiado.......................................................................... 147 Figura 72 Tipos de Grietas ........................................................................................ 152 Figura 73 Discontinuidades presentes en la Soldadura ............................................ 156 Figura 74 Formula para Determinar el Carbono Equivalente ................................... 164 Figura 75 Ubicación del Nivel de Soldabilidad en el Diagrama de Graville ............... 166

Figura 76 Dimensiones de Probeta para Ensayos Destructivos ................................ 170 Figura 77 Probetas de Ensayo ................................................................................... 174 Figura 78 Limpieza superficial de Probetas de Ensayo .............................................. 175 Figura 79 Armado de Probetas ................................................................................. 176 Figura 80 Probetas inspeccionadas por Líquidos Penetrantes .................................. 177 Figura 81 Probetas inspeccionadas por Partículas Magnéticas................................. 177 Figura 82 Material base inspeccionado por Ultrasonido Industrial .......................... 178

http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240785http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240785http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240785http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240785http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240804http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240804http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240804http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240804http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240805http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240805http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240805http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240805http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240805http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240804http://c/Users/Usuario/Desktop/TESIS%20EMPASTADO.doc%23_Toc440240785


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ÍNDICE DE TABLAS

tabla 1 Actividades De Trabajo ..................................................................................... 7

Tabla 2 Temperaturas De Recristalización De Algunos Materiales ............................. 31

Tabla 3 Agrupamiento Del Is, Nivel De H Y Pcm ......................................................... 49

Tabla 4 Temperatura Mínimas De Precalentamiento ................................................. 49

Tabla 5 Clasificacion De Los Aceros Según Diferentes Tipos De Normss ................... 52

Tabla 6 Tipos De Uniones De Soldadura Y Su Aplicación ............................................ 55

Tabla 7 Tipos De Soldaduras ....................................................................................... 57

Tabla 8 Tipos De Preparacion De Juntas ..................................................................... 60

Tabla 9 Posiciones De Soldeo ..................................................................................... 70

Tabla 10 Soldeo Hacia Atrás Y Hacia Delante. Angulo De Retraso Y De Adelanto ...... 75

Tabla 11 Porcentaje De Contenido De Aleantes En Material Base ........................... 164 Tabla 12 Relacion Entre La Dureza Maxima En La Zac Y Riesgo De Fisuracion.......... 165

Tabla 13 Indice De Suceptibilidad............................................................................. 167

Tabla 14 Agrupamiento Del Indice De Suceptibilidad Y El Nivel De Hidrogeno ........ 168

Tabla 15 Agrupamiento De La Temperatura De Precalentamiento Minimo Y El Nivel

De Embridamiento ...................................................................................... 169

Tabla 16 Comparación De Propiedades Mecánicas Del Acero Astm A36 ................. 171

Tabla 17 Composición Química Según Certificado De Calidad Astm A36 ................. 172

Tabla 18 Comparación De Propiedades Mecánicas Del Acero Vcl ............................ 172

Tabla 19 Composición Química Según Certificado De Calidad Acero Vcl .................. 172

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CAPITULO 1:

MARCO METODOLOGICO

1.1. INTRODUCCIÓN:

En la industria, generalmente las uniones de aceros se realizan con materiales

idénticos o de composición y propiedades similares. Sin embargo, existen

aplicaciones, en las que las soldaduras deben estar hechas de metales de

diferente composición, con la finalidad de cubrir las necesidades requeridas,

tales como fenómenos de desgaste mecánico, alta temperatura, u otras

condiciones extremas deben ser satisfechas en una junta soldada. Esto

conlleva en algunos casos a la necesidad de unir metales disímiles, que

cumplan las exigencias del caso, para dar como resultado una soldadura

exitosa entre aceros de diferente composición.

El Acero A36 es una aleación de acero al carbono con menos de 0,3% de

carbono, tiene buena ductilidad y es muy adecuado para fabricar elementos

estructurales como perfiles, barras, etc. y también para elementos de unión

estructurales como pernos, tuercas, etc. El bajo contenido de carbono y la

ausencia de elementos aleantes hacen que tenga una mala templabilidad por lo

que estos aceros tienen buena soldabilidad, aumentando la gama de diseños

realizables con estos materiales.

El Acero VCL, es una acero especial bonificación con aleación de cromo

molibdeno, muy resistente a la tracción y a la torsión, como también a cambios

de flexión, se suministra en estado bonificado, lo que permite, en la mayoría delos casos, su aplicación sin necesidad de tratamiento térmico adicional.

La unión de ambos aceros no presenta buena soldabilidad debido la gran

diferencia en sus composiciones y propiedades mecánicas, con resultados

deficientes que no cumple los estándares de calidad exigido por la Norma o

Código aplicable.


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1.2. ANTECEDENTES

En EEUU, La Sociedad Americana de Soldadura AWS, publica su primer

Estándar en 1928, titulada “Código para la Soldadura por Fusión y Corte por

Gas en la construcción de Edificios”, en 1941 publica el Código AWS D1.0

“código para la Soldadura en Construcción de Edificios” y ya en 1972 se

publica por primera vez, el Código AWS D1.1 “ Código de Soldadura de Acero

Estructural” y se le hicieron varias revisiones hasta el año 2010, su 22 a Edición;

este Código cubre los requerimientos para cualquier tipo de soldadura

estructural realizada con acero al carbono.

En el año 2007, en la Pontificia Universidad Católica del Perú, Pedro Augusto

Coloma Vera, presenta la Tesis “Planificación, Construcción y Reparación de

Construcciones Soldadas: Análisis de 3 casos” para optar el Título de Ingeniero

Mecánico, quien presenta en detalle, tres trabajos en soldadura realizados a lo

largo de su experiencia, en el primer caso y el de mayor relevancia para este

trabajo, estudia la soldabilidad de aceros en la reparación del chasis de un

camión minero, mediante el proceso SMAW, logrando satisfactorios resultados

y ahorro considerable en gastos frente a la adquisición de un chasis nuevo.

En el año 2014, en la Universidad Nacional de San Agustín de Arequipa, Aldo

Omar Aspilcueta Caya, presenta la Tesis: “Determinación de la Temperatura de

Precalentamiento Utilizando el Método Tekken a Fin de Prevenir la Fisuración

en Frio en la Unión de Planchas Chronit T-1”, para optar el título de Ingeniero

de Materiales, quien resuelve que la determinación de temperatura de

precalentamiento es el parámetro más relevante para evitar la fisuración en

frío, característica común de soldar aceros antiabrasivos templados y

revenidos, mediante el proceso SMAW,


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3

1.3. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En los últimos años los diseñadores y calculistas de estructuras, han

introducido dentro de sus materiales el acero VCL para efectuar sus diseños,

porque brinda características mecánicas, alta resistencia a la tracción y a latorsión y cambios de flexión.

En la industria, generalmente se usa aceros estructurales, como es el caso del

acero ASTM A36, sin embargo hay puntos críticos por lo que este acero no

cumple las especificaciones y requerimientos, el cual conlleva al tratamiento

térmico del material o en su defecto al reemplazo de éste, es por eso que en

este trabajo se propone el uso del acero VCL.

Normalmente se busca mejorar las propiedades de este acero estructural,mediantes diversos tratamientos, pero no se llega a cubrir los requerimientos

exigidos en ciertos puntos críticos. Lo que si se logra con un acero VCL, cuya

desventaja principal es su baja soldabilidad debido a su alto contenido de

carbono y alta aleación.

Para la unión de estos aceros se elige el proceso SMAW, por su gran

rendimiento eficacia portabilidad y bajo costo, se puede emplear en cualquier

posición, en locales abiertos y cerrados incluso con restricción de espacio y es

aplicable para una gran variedad de espesores y tipos de metales.

Debemos tomar en cuenta la elección de un adecuado material de aporte que

presente propiedades mecánicas similares a los materiales base (A36 - VCL)

La elección de los parámetros de soldadura para la elaboración del

procedimiento de soldadura (WPS).


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1.4. HIPÓTESIS

Para el estudio de la soldabilidad de un acero ASTM A36 con un acero VCL,

debemos de elaborar un adecuado Procedimiento de Soldadura (WPS) en el

cual se tomará en cuenta el material de aporte adecuado, variables esenciales,

variables no esenciales y esenciales suplementarias, para lograr una unión

aceptable entre los materiales mencionados, posteriormente se validará

mediante la Calificación de Procedimiento de Soldadura (PQR), según Código

AWS D1.1


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1.5. OBJETIVOS

1.5.1. Objetivo General

Estudiar la soldabilidad del Acero ASTM A-36 con el Acero VCL en soldadura

de filete y proponer un procedimiento de soldadura WPS de acuerdo a los

alcances de la Norma AWS D1.1.

1.5.2. Objetivos Específicos

1.5.2.1. Determinar las propiedades mecánicas del Acero ASTM A-36.

1.5.2.2. Determinar las propiedades mecánicas del Acero VCL

1.5.2.3. Proponer un procedimiento de soldadura (WPS) preliminar

adecuado para la unión conforme norma AWS D1.1.

1.5.2.4. Evaluación de la unión soldada conforme a norma AWS D1.1 para

su posterior calificación


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1.6. METODOLOGÍA

1.6.1. Objetivo Especifico 1

Mediantes Ensayos Destructivos y No Destructivos, determinaremos las

propiedades mecánicas del acero estructural ASTM A36, entre ellos: ensayo de

tracción, ensayo de dureza.


Mediantes Ensayos Destructivos y No Destructivos, determinaremos las

propiedades mecánicas del acero bonificado VCL, entre ellos: ensayo detracción, ensayo de dureza.


Determinación de una buena soldabilidad por ensayos NDT, Líquidos

Penetrantes, Partículas Magnéticas, Ultrasonido Industrial o Gammagrafía

Industrial.


Según alcances AWS D1.1 se evaluara la unión soldada mediante ensayos no

destructivos como son, inspección visual, inspección por partículas magnéticas;

ensayos destructivos, tales como ensayo de doblez y macrografía


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1.7. PLAN DE TRABAJO

1.7.1. ACTIVIDADES

2. Recepción de materiales de acuerdo a norma AISC.

3. Elaboración del procedimiento de soldadura WPS conforme a AWS D1.1

4. Ensayos destructivos y no destructivos a los materiales base.

5. Preparación del material para la unión a filete.

6. Ejecución de la soldadura.

7. Ensayos destructivos y no destructivos a la unión soldada.

8. Comparación de resultados reales y teóricos.

9. Redacción del Informe Final.

Tabla 1 ACTIVIDADES DE TRABAJO

Código deActividad

Semanas

1 2 3 4 5 6 7 81 X

2 X X

3 X

4 X

5 X

6 X

7 X

8 X


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CAPITULO 2:

MARCO CONCEPTUAL

2.1. INTRODUCCIÓN A LA METALURGIA DE LA SOLDADURA

El origen de la soldadura como tecnología para la unión de materiales

metálicos se remonta hasta la Edad de Bronce, donde se encuentran los

primeros vestigios de procesos de soldadura utilizados para fines

ornamentales. En la Edad de Hierro se han encontrado piezas de hierro forjado

que habrían sido unidas calentándolas y martillándolas juntas, desarrollándoseasí la soldadura por forjado. En la Edad Media la soldadura en fase sólida se

utilizaba para reducir el mineral de hierro a hierro metálico sin necesidad de

fundirlo. Sin embargo el problema de unir chapa fue solucionado por la

soldadura por fusión, en la cual una fuente de calor suficientemente intensa

como para fundir los bordes de ambas chapas a unir es desplazada a lo largo

de la junta

2.1.1 IMPORTANCIA.

La soldadura hoy en día, es el método más eficaz y el único posible de unir dos

o más piezas metálicas para hacerlas funcionar como un solo elemento. La

soldadura se usa ampliamente para fabricar o reparar los productos hechos

con metal.

Prácticamente todos los tipos de fenómenos metalúrgicos ocurren durante la

realización de una soldadura:

• Fusión.

• Solidificación.

• Reacciones gas-metal.

• Reacciones metal-escoria.

• Fenómenos de superficie.

• Reacciones en estado sólido.


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Figura 1 Soldadura por Fusión

Fuente: Manu al Del Sold ado r, Germán Her nánd ez Riesco

Las ventajas de la soldadura son las siguientes:

● Es el método de unión con más bajo costo● Proporciona un peso más ligero por la mejor utilización de los materiales.

● Une todos los metales comerciales.

● Puede usarse en cualquier parte.

● Proporciona flexibilidad en el diseño.

2.1.2 APLICACIONES DE LA SOLDADURA.

Todos los metales pueden ser unidos por uno u otro proceso de soldadura,

todos los metales usados comercialmente para las partes estructurales o de

refuerzo son soldables.

El acero al carbono es, por mucho, el metal que más se utiliza. De los demás

tipos de aceros, cada uno de estos tienen implicados diferentes tipos de


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soldaduras, los cuales deben seguirse estrechamente para lograr una unión

exitosa.

Las aleaciones de aluminio poseen diferentes propiedades y requieren de

variados procedimientos para la soldadura. El cobre y las aleaciones que su

base primordial es el cobre, como lo son los bronces y latones, son usados

para la conductividad eléctrica, la resistencia a la corrosión o la conductividad

del calor, constituyen un aspecto importante. El acero inoxidable y los aceros

fundidos, se suelda normalmente como aceros laminados de la misma

composición.

Figura 2 Aplicación de la Soldadura

Fuente: weld ing handbook volum e 1

2.2 METALURGIA DE LA SOLDADURA

2.2.1 DEFINICION

Es un conjunto de procedimientos y técnicas de elaboración y tratamiento de

los metales y sus aleaciones.


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2.2.2 ESTRUCTURA CRISTALINA

Cada metal tiene una estructura cristalina bien definida y sus propiedades

dependen de la forma de los cristales, del número de átomos que comprende

cada estructura espacial de cristales, de la distancia de los átomos de laestructura espacial de cristales y de la interrelación de estas estructuras.

Las más comunes son:

(BCC) cubico de cuerpo centrado, metales como el hierro a temperatura

ambiente, cromo, aceros al carbono, molibdeno y tungsteno.

Figura 3 Celda Unitaria BCC

Fuente: Metalurg ia de la Soldadu ra, Dr. Carlos Fosca

(FCC) cubico de caras centradas, metales como el cobre, aluminio, aceros

inoxidables austeníticos y níquel.


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Figura 4 Celda Unitaria FCC.


(HCP) hexagonal compactado, tales como el Zinc, Cadmio y Magnesio.

Figura 5 Celda Unitaria HCP

Fuente: Metalurg ia de la Sold adura, Dr. Carlos Fosc a

2.2.3 MECANISMOS DE ALEACION

La solución solida substitucional o sustitucional es cuando los cristales son del

mismo tamaño el de menor proporción como por ejemplo el níquel y cobre.

La solución solida intersticial si los átomos de menor proporción en la aleación

son más pequeños, no hay reemplazo si no un acomodamiento en los

espacios, oquedades o intersticios en el metal de mayor proporción como por

ejemplo el fierro tiene pequeñas cantidades de carbono.


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Compuesto intermetálicos si los átomos de menor proporción no pueden

disolverse completamente, forman un compuesto químico semejante a la

formula química, formando diferentes estructuras cristalinas.

Figura 6 Soluciones Solidas

Fuente: Metalurg ia de la Sold adura, Dr. Carlos Fosc a

2.2.4 TRANSFORMACIÓN DE FASES

Es el cambio en la estructura cristalina de un metal y se conoce como

transformación de fase o alotropía.

El hierro es de estructura cristalina de BCC a 910° C que es temperatura

ambiente, pero si tiene temperaturas arriba del punto de fusión que es 1538°C

nuevamente tiene BCC. Pero cuando esta hasta 1388°C es de estructura

cristalina de cubico centrado en las caras (FCC). Otros metales que tiene

alotropía son titanio, zirconio, cobalto.


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Figura 7 Formas Cristalinas Alotrópicas del Fe a distintas Temperaturas


2.2.5 CONSTITUYENTES MICRO ESTRUCTURALES DE LOS ACEROS

La distribución y arreglo de los granos, los límites de grano y las fases

presentes en una aleación metálica se conoce como micro estructura.

2.2.5.1. CRISTALIZACIÓN.

El crecimiento de los cristales que se inicia en los centros o núcleos de

cristalización en el metal líquido, no puede ser uniforme a causa de los

diferentes factores de la composición del metal, la velocidad de enfriamiento y

las interferencias que se producen entre ellos mismos durante el proceso de

crecimiento.


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Figura 8 Proceso de formación de granos

Fuent e: Metalogr afía, Univ ersidad Tecno lógic a de Pereira, Colomb ia

2.2.5.2. LÍMITES DE GRANO.

La microestructura de la mayor parte de los materiales está formada por

muchos granos. Un grano es una porción del material dentro del cual el arreglo

atómico es idéntico. Sin embargo, la orientación del arreglo atómico o

estructura cristalina, es distinta para cada grano. En la figura se muestra de

manera esquemática tres granos, la red de cada uno de ellos es idéntica pero

están orientados de distinta manera. La frontera de grano, que es la superficie

que separa los granos, es una zona estrecha en la cual los atomos no esta

correctamente espaciados.

Figura 9 Esquema de Limite de granos

Fuent e: Metalogr afía, Univ ersidad Tecno lógic a de Pereira, Colomb ia


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2.2.6. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO

El sistema de equilibrio hierro-carbono, está comprendida en la región de [0.0%

a 6.7%] de carbono en peso. Dicha región se conoce como el diagrama de

equilibrio meta-estable, hierro-carbono y es la región en donde ocurren las

reacciones de interés en metalurgia.

El hierro y el carbono forman un compuesto conocido como carburo de hierro o

llamado cementita. La perlita es una mezcla ferrita y carburo de fierro.

Veamos a continuación el diagrama Hierro- carburo de hierro donde se da un

esquema breve de las distintas partes y estados de la aleación para las

diferentes temperaturas y % de carbono:

Figura 10 Diagrama Hierro - Carbono

Fuente: Metalurgia d e la Soldadura, Carlos Fo sca


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Línea ABCD: LIQUIDUS (inicio de la solidificación).

Línea AHJECF: SOLIDUS (fin de la solidificación).

Las 3 líneas horizontales HJB, ECF y PSK indican el transcurso de 3reacciones invariantes.

Línea HJB: reacción peritéctica (1499°C). El resultado de la reacción es la

formación de AUSTENITA. Esta reacción solamente se produce en aquellas

aleaciones que contienen entre 0,1 y 0,5% de C.

Línea ECF: reacción eutéctica (1147°C). El resultado de la reacción es la

formación de la mezcla eutéctica AUSTENITA + CEMENTITA. Esta reacción seproduce en las aleaciones del sistema que contienen más de 2,14% de C.

Línea PSK: reacción eutectoide (727°C). El resultado de la reacción es la

formación de la mezcla eutectoide FERRITA + CEMENTITA (PERLITA). Esta

reacción se produce en todas las aleaciones que contienen más de un 0,02%

de C, es decir, prácticamente en todas las aleaciones Fe-C de uso industrial

2.2.6.1. ALEACIONES HIERRO – CARBONO

El hierro puro apenas tiene aplicaciones industriales, pero formando aleaciones

con el carbono (además de otros elementos), es el metal más utilizado en la

industria moderna.

Las aleaciones con contenido de C comprendido entre 0.03% y 1.76% tienencaracterísticas muy bien definidas y se denominan aceros. Los aceros de

cualquier proporción de carbono dentro de los límites citados pueden alearse

con otros elementos, formando los denominados aceros aleados o aceros

especiales. Algunos aceros aleados pueden contener excepcionalmente hasta

el 2.5% de C. Los aceros generalmente son forjables, y es ésta una cualidad

muy importante que los distingue.


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Figura 11 Aleaciones Hierro - Carbono


Si la proporción de C es superior a 1.76% las aleaciones de Fe-C se

denominan fundiciones, siendo la máxima proporción de C aleado del 6.67%,

que corresponde a la cementita pura. Las fundiciones, en general, no son

forjables.

2.2.6.2. TIPOS DE ACERO

En las aleaciones Fe-C pueden encontrarse hasta once constituyentes

diferentes, que se denominan: Ferrita, Cementita, Perlita, Austenita,

Martensita, Troostita Sorbita, Bainita, Ledeburita, Steadita y Grafito. Estos

nombres tienen razones descriptivas para denominar las distintas estructuras

que aparecen el diagrama Fe-C.

FERRITA

Aunque la ferrita es en realidad una solución sólida de carbono en hierro (hierro

α), su solubilidad a temperatura ambiente es tan pequeña que llega a disolver

un 0.008% de C. Es por esto que prácticamente se considera la ferrita como

hierro alfa puro. La ferrita es el más blando y dúctil constituyente de los aceros.

Cristaliza en una estructura BCC (Cúbica centrada en el cuerpo) y presenta

propiedades magnéticas. En los aceros aleados, la ferrita suele contener Ni,


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Mn, Cu, Si, Al en solución sólida sustitucional. Al microscopio aparece como

granos monofásicos

Figura 12 Micrografía de la Ferrita


CEMENTITA

Es carburo de hierro con composición de 6.67% de C en peso. Es un

compuesto intersticial, el constituyente más duro y frágil de los aceros. Esmagnética hasta los 210ºC, temperatura a partir de la cual pierde sus

propiedades magnéticas.

PERLITA

Es un constituyente compuesto 6,4 partes de ferrita y 1 de cementita. Cadagrano de perlita está formado por láminas o placas alternadas de cementita y

ferrita. Esta estructura laminar se observa en la perlita formada por

enfriamiento muy lento (imagen c). Si el enfriamiento es muy brusco, la

estructura es más borrosa y se denomina perlita sorbítica. Si la perlita laminar

se calienta durante algún tiempo a una temperatura inferior a la crítica (723 ºC),

la cementita adopta la forma de glóbulos incrustados en la masa de ferrita,

recibiendo entonces la denominación de perlita globular.


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Figura 13 Micrografía de la Perlita


AUSTENITA

Es el constituyente más denso de los aceros, y está formado por solución

sólida por inserción, de carbono en hierro ɤ. La proporción de C disuelto varía

desde 0 a 1.76%, correspondiendo este último porcentaje de máxima

solubilidad a la temperatura de 1130ºC. La austenita en los aceros al carbono,

es decir, si ningún otro elemento aleado, empieza a formarse a la temperatura

de 723ºC. También puede obtenerse una estructura austenítica en los

aceros a temperatura ambiente, enfriando muy rápidamente una probeta de

acero de alto contenido de C a partir de una temperatura por encima de la

crítica, pero este tipo de austenita no es estable, y con el tiempo se transforma

en ferrita y perlita, o bien cementita y perlita.

Excepcionalmente, hay algunos aceros al cromo-níquel denominados

austeníticos, cuya estructura es austenítica a temperatura ambiente. Laaustenita está formada por cristales cúbicos de hierro ɤ con los átomos de

carbono intercalados en las aristas y en el centro. La austenita no presenta

propiedades magnéticas.


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MARTENSITA

Es el constituyente de los aceros templados, está conformado por una solución

sólida sobresaturada de carbono o carburo de hierro en ferrita y se obtiene por

enfriamiento rápido de los aceros desde su estado austenítico a altas

temperaturas.

Sus propiedades físicas varían con su contenido en carbono, hasta un máximo

de 0.7 % C. Es muy frágil y presenta un aspecto acicular (en forma de aguja)

formando grupos en zigzag con ángulos de 60 grados.

BAINITA

Se forma en la transformación isoterma de la austenita, en un rango de

temperaturas de 250 a 550ºC. El proceso consiste en enfriar rápidamente la

austenita hasta una temperatura constante, manteniéndose dicha temperatura

hasta la transformación total de la austenita en bainita.

Figura 14 Micrografía de la Austenita

Estructura de la Austenita en Austenita a temperatura


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LEDEBURITA

La ledeburita no es un constituyente de los aceros, sino de las fundiciones. Se

encuentra en las aleaciones Fe-C cuando el contenido total de carbono supera

los 1.76%.

Se forma al enfriar una fundición líquida de carbono desde 1130ºC, siendo

estable hasta 723ºC, descomponiéndose a partir de esta temperatura en ferrita

y cementita

2.2.7 SOLDADURAS

Cuando se hace una soldadura ocurren cambios de temperatura, dimensiones,

crecimiento de cristales y granos, transformación de fases y otras. El tipo de

proceso de soldadura determinada, la forma en que sucederán.

La velocidad de enfriamiento o templado es de importancia fundamental y estácontrolada por el proceso, procedimiento, metal y masa.

A medida que el metal de la soldadura se deposita sobre el metal base parte de

este se funde y se mezcla con el metal de la soldadura, produciendo la dilución

de este último.

Los metales más puro tiene el punto de fusión más bajo y por consiguiente se

solicitan primero. Los metales o elementos con puntos de fusión más alto se

solidifican al último.


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2.2.7.1 ORIGEN DE LA ESTRUCTURA PRIMARIA ENSOLDADURA

El metal de soldadura (MS) puede ser similar o diferente al metal de base

(MB), debido a que está

compuesto por la mezcla de metal de aporte y debase, fundidos durante el proceso de soldadura.

El metal de aporte empleado es elegido en función de las propiedades

mecánicas y la composición química deseada, y la estructura cristalina final de

la soldadura será el resultado directo de la secuencia de eventos que ocurren

previos y durante la solidificación:

1) Reacciones metal-gas.

2) Reacciones con fases líquidas no-metálicas (escorias o fundentes).

3) Reacciones en estado sólido producidas durante el proceso de

solidificación de la soldadura.

Para un mejor entendimiento de estas reacciones enfoquémonos en el

estudio de los fenómenos de cris tal ización , que permiten comprender dos

aspectos relevantes de los mismos:

A medida que se desarrolla el proceso de cristalización, cada vez participa

un número mayor de cristales. Al principio se acelera el proceso, pero en

cierto momento, el encuentro mutuo de cristales en expansión dificulta su

crecimiento. Este se retarda aún más, debido a que la cantidad de líquido

disponible es cada vez menor.

En el proceso de crecimiento del cristal, mientras está rodeado de

líquido, éste suele tener forma regular, pero al encontrarse dos frentes

de cristalización con una ubicación espacial diferente, esta forma se

altera, y la forma final dependerá de las condiciones del contacto con los

cristales vecinos.


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La velocidad del proceso de cristalización está determinada cuantitativamente

por dos magnitudes:

1)

La velocidad de formación de los núcleos de cristalización (número

de cristales que se generan por unidad de tiempo).

2)

La velocidad de crecimiento de los cristales (velocidad con la que

aumentan las dimensiones lineales de un cristal).

“la fase f inal resul tante de una so ldadu ra se da, no solamente en los

procesos

qu e ocu rren en las mas as fun did as al soli dif ic ar, sino tam bién

en las

t ransform aciones en estado sól ido, por generación y crecimiento

de cristales”

SOLIDIFICACIÓN EN SOLDADURAS.

La transformación de sólido a líquido está gobernada por un proceso

combinado de nucleación y

crecimiento de cristales, y el tamaño, orientación ydistribución de los granos producidos define las propiedades mecánicas y la

sanidad de la estructura solidificada.

Cada grano se inicia en un núcleo a partir del cual se produce el crecimiento.

La nucleación puede iniciarse a partir de partículas sólidas externas

suspendidas en el líquido: NUCLEACIÓN HETEROGENEA.


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En la práctica industrial, la gran mayoría de los casos son de nucleación

heterogénea, originándose la misma en un sustrato presente en el líquido que

debe solidificar. En general, cuanto mejor sea el “mojado” del líquido en el

sustrato, más efectivo será inicio del proceso de nucleación.

“En la soldadura, el mojado es perfecto, ya que el sustrato consiste en los

grano s parcialmente fundid os d e metal de base, a part i r de los cu ales se

pro duc e la sol id i f icación del metal lí quido.”

DIRECCIONES DE CRECIMIENTO DE GRANOS.

El crecimiento de los cristales se da con la misma

orientación cristalina que los

granos de metal base parcialmente fundidos. Éste fenómeno recibe el nombre

de crecimiento epitaxial.

La solidificación epitaxial es el mecanismo común a todos los procesos de

soldadura por fusión, posibilitando la coalescencia buscada para tener

continuidad entre el metal base y el metal de soldadura.

Figura 15 Crecimiento epitaxial producido durante la solidificación de unazona de soldadura con fusión de metal

Fuen te: Tecn olo gía De Pro ceso y Tran sfo rmación De Materi ales, María

Salan Bastel leros


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Durante el crecimiento de estos granos iniciados epitaxialmente, se produce

una selección de unos a expensas de otros, formándose una textura de

crecimiento.

Este crecimiento competitivo se produce debido a que cada grano posee

direcciones preferenciales de crecimiento. Por lo tanto, los granos que poseen

esa orientación, o cercana a ella, tendrán mayor chance de sobrevivir. La

característica epitaxial de la solidificación aparece también en cada pase de

una

Soldadura multipasada.

Fuen te: Tecn olo gía De Pro ceso y Tran sfo rmación De Materi ales, María

Salan Bastel leros

2.2.7.2 ORIGEN DE LA ESTRUCTURA SECUNDARIA EN SOLDADURA

Se ha descripto en términos generales anteriormente la formación de la

estructura primaria o de solidificación, que resulta del pasaje de líquido a

sólido, por el cual se obtiene una estructura crecida epitaxialmente a partir de

los granos parcialmente fundidos del metal base.

Figura 16 Iimagen de Crecimiento epitaxial.


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Ésta estructura primaria corresponde a una determinada fase estable a la

temperatura de solidificación.

En el caso de materiales como aluminio, durante el enfriamiento desde la

temperatura de fusión hasta la temperatura ambiente, la fase primaria

conserva su estructura cristalina. En este caso la estructura del cordón

soldado presente en servicio a temperatura ambiente estará compuesta por

los granos originados durante la solidificación, conjuntamente con las

inclusiones, porosidad, etc.

¿Quépasa con un acero recién so lid i f icado cuan do se en fría hasta la

temperatura amb iente?

Se producen transformaciones de fase en estado sólido que dan origen a la

llamada ESTRUCTURA SECUNDARIA.

Las transformaciones de fase en estado sólido tienen una importancia

tecnológica fundamental en los aceros, ya que permiten obtener diferentes

propiedades mecánicas según sea el tratamiento termo-mecánico a que es

sometido un material de una composición química dada.

Durante la soldadura de un acero, el enfriamiento se produce en forma

continua, dependiendo del material, proceso, espesor de las chapas, calor

aportado, precalentamiento, temperatura interpase, etc.

Las velocidades de enfriamiento involucradas determinan que las condiciones

para las transformaciones de fase mencionadas sean de NO EQUILIBRIO.

Por esta razón, no es posible utilizar los DIAGRAMAS DE FASE DE

EQUILIBRIO. Se recurre entonces a los Diagramas TTT (temperatura-

transformación-tiempo).

2.2.7.3 DIAGRAMAS TTT (TEMPERATURA – TRANSFORMACÓN –TIEMPO)

Se denomina curva TTT al diagrama que relaciona el tiempo (normalmente en

escala logarítmica) y la temperatura requeridos para una transformación a

temperatura constante.


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Se construyen a partir de las curvas de transformación isotérmicas,

representando los puntos de inicio, 50% y fin de transformación, para las

diferentes temperaturas.

Restricciones de estos diagramas:

Composición fija.

Referidos a transformaciones isotérmicas (Temperatura Cte.)

Consideremos el caso de un acero del cual resulta la Transformación Austenita

=> Perlita (0.77%C en peso):

Figura 17 Diagrama Temperatura - Transformación - Tiempo.

Construcción del diagrama TTT Diagrama Completo TTT



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29

Los factores que modifican la forma del diagrama TTT son:

1. Composición química del acero:

a. Elementos que mueven las líneas hacia la derecha (C, Ni, Mn, Si, Cu)b. Elementos que además cambian la forma (Cr, Mo, V)

2. Tamaño de grano austenítico: si es grande, disminuye la superficie de

borde de grano disponible para nuclear.

3. Heterogeneidad de la austenita: en las áreas segregadas la austenita se

transforma de acuerdo a un diagrama modificado por el efecto local.

2.2.7.4 TRANSFORMACIONES EN ESTADO SÓLIDO

Durante el enfriamiento, los productos de la descomposición de la austenita

aparecen en distintas proporciones, dependiendo tanto de su estado inicial

(composición química, tamaño de grano, heterogeneidad, etc.), como del

tratamiento termo-mecánico a que se la somete durante la transformación.

Estos elementos estructurales, sumados a los provenientes de la estructura

primaria, y que no se transforman, constituyen la ESTRUCTURA

SECUNDARIA del metal de soldadura.

2.2.7.5 TRANSFORMACIONES EN LA ZONA AFECTADA POR EL CALOR

(ZAC)

La respuesta del área próxima a la línea de fusión en una junta soldada

depende de la naturaleza del material soldado y del proceso empleado.

Debido a que el ciclo térmico es muy rápido, los materiales más afectados

serán aquellos que aumentan su resistencia por tratamiento térmico.

Las temperaturas en la ZAC varían entre las temperaturas ambiente y de

liquidus, por lo tanto muchos procesos metalúrgicos que se producen

lentamente a temperatura ambiente, pues

dependen de la difusión en estado


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sólido, pueden ocurrir muy rápidamente a temperaturas próximas a la de

liquidus.

Veamos los efectos del calor de soldadura en la ZAC, para algunos tipos de

aleaciones que pueden

ser soldadas:

Aleaciones que aumentan su resistencia por trabajo en frío.

Aleaciones que aumentan su resistencia por transformación martensítica.

1)

Aleaciones que aumentan su resistencia por trabajo en frío:

Figura 18 Esquematización de efectos sobre la forma de los granos allaminar una chapa..

Fuente: Sprin ger Handb ook o f Mechanical Eng ineering - Volume 10

Debido a que los materiales endurecidos por trabajo en frío recristalizarán

(conforman nuevamente su estructura cristalina) cuando son llevados a

temperaturas próximas al punto de fusión, debemos esperar cambios

importantes en la resistencia de la ZAC. Originalmente los granos estarán

alargados y aplastados,

producto del trabajo en frío. Luego, en algún punto de


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la ZAC, el metal alcanza la temperatura necesaria para recristalizar,

apareciendo pequeños granos equiaxiales en la microestructura.

En la línea de fusión, además de la recristalización, se producirá un

crecimiento de grano significativo.

Tabla 2 Temperaturas de Recristalización de algunos Materiales

Fuente: Tecno logia de los Metales y Proc esos de Manufactura, Norma

Pazos.

Por tanto en este caso la resistencia se verá

sensiblemente disminuida, y

finalmente la resistencia de la junta será del orden de la chapa en estado

recocido (*1).

En resumen, las propiedades conferidas con el trabajo en frío se verán

disminuidas.

2) Aleaciones que aumentan su resistencia por transformación martensítica

Las aleaciones de interés en este grupo son los aceros con suficiente C y

elementos de aleación, que pueden formar estructuras martensíticas con el

rápido enfriamiento de la soldadura. Estos pueden ser aceros templados y

revenidos previamente a la soldadura, o simplemente aceros con la

composición adecuada para obtener estructuras de temple, aunque

previamente no hayan sido tratados.


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La figura siguiente muestra la variación de la temperatura máxima que se

alcanza en diversos planos de la ZAC de un empalme soldado sobre un acero

con 0,30% C. Gran parte de esta zona se ha calentado a temperaturas

superiores a A1.

Punto 1 - se ha calentado a más de 1315°C. La austenita formada será de

grano grueso por cuanto a esa temperatura los granos crecen.

Punto 2 - se ha calentado a 982°C y se ha austenizado totalmente. No ha

tenido lugar el crecimiento de grano y sí puede haber afinamiento de granos.

Punto 3 - se ha calentado exactamente por encima de A3, temperatura que

no es suficientemente elevada como para homogeneizar por completo a la

austenita.

Punto 4... esta zona se ha calentado aproximadamente a 760°C, que está

comprendida entre A1 y A3. "Parte de la estructura se transforma en

austenita y la mezcla de estructuras resultante, durante el enfriamiento,

puede degradar las propiedades de impacto de la junta.

Punto 5 - a esta zona se la ha calentado a 649°C que es inferior a A1, y por

lo tanto no ha habido transformación austenítica. El metal base conservará

su estructura de ferrita y cementita pero se habrá ablandado.

(*1) Recocido: Es un tratamiento de calentamiento, mantenimiento y

enfriamiento por el cual el material recupera una estructura cristalina libre detensiones (reblandecimiento). Se eliminan los cambios producidos por

deformación plástica, quedando el material con sus propiedades originales.

Dureza y resistencia disminuyen, con un aumento de la ductilidad.


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Fuent e: Tecnolo gía de los Metales y Proceso s de Manufactu ra, Norm a

Pazos.

Estas zonas parciales de la ZAC pueden presentar múltiples estructuras con

propiedades diferentes

entre sí.

Las condiciones de soldadura influyen en el enfriamiento, de acuerdo con los

siguientes conceptos:

1. La energía de arco: Una mayor energía (joules/pulgada) provoca menores

velocidades de enfriamiento. El uso de electrodos de menor diámetro, una

menor corriente de

soldadura y una mayor velocidad de avance, son factores

Figura 19 Relación entre las temperaturas picos experimentadas por diversasre iones en un cordón soldado como se correlacionan con el dia rama de


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concurrentes para reducir la energía de arco y con ello incrementar las

velocidades de enfriamiento.

2. El espesor del metal base: Por lo general un metal base de mayor

espesor se enfría más rápidamente que otro más fino. La mayor capacidad

para absorber el calor, relacionada con su mayor masa, producen mayores

velocidades de enfriamiento.

3.

Temperatura del metal base, Precalentamiento: La temperatura del

metal base, al iniciar la soldadura, tiene fuerte efecto sobre las velocidades de

enfriamiento en toda la zona afectada por el calor y en el cordón de

soldadura; a mayor precalentamiento corresponden menores velocidades de

enfriamiento.

2.2.8 PRE-CALENTAMIENTO

Esta operación consiste en el calentamiento de la junta previo a la soldadura.

Su principal efecto es reducir la velocidad de enfriamiento de la unión soldada.

Relación entre las temperaturas picos experimentadas por diversas regiones en

un cordón soldado y como se correlacionan con el diagrama de fase hierro-

carburo de hierro.

Tiene como Ventajas:

Evitar el templado.

Aumentar la difusión de hidrógeno en la junta.

Desventaja: aumenta la extensión de la ZAC.

Veamos algunos ejemplos de tipos de juntas y como el calor se transmite a

través de las mismas.


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Figura 20 Esquema de Distribución del Calor de acuerdo al Tipo de Junta


En la figura (A) vemos una junta sin bisel en la cual el calor se distribuye igual aambos lados de la misma. En la figura (B) estamos soldado una raíz sin talón

(filo de cuchillo) contra el fondo de la misma, por tanto utilizaremos menos

energía y produciremos menos calor que en el caso (A). Al tener talón, caso

(C), necesito más energía para fundir el mismo produciendo una transferencia

de calor mayor. En los casos (D) y (E) observamos juntas con espesores

distintos a cada lado de la misma. Esto hará que una mayor cantidad de calor

fluya por la chapa más gruesa (en la práctica a

la hora de realizar estassoldaduras se deberá tener en cuanta: precalentar de forma de compensar

espesores con distinto calor aplicado a cada lado de la junta y considerar los

espesores al momento de retener el punto caliente sobre cada una de las

caras a fundir).

2.2.9 POST-CALENTAMIENTOEsta operación consiste en mantener la junta soldada a una temperatura

mayor que la ambiente, durante un cierto tiempo, para aumentar la difusión de

hidrógeno. Buscamos enlentecer el enfriamiento de la unión.

Veamos uno de los problemas más importantes en lo que hace a soldadura,

fruto de la presencia de hidrógeno.


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2.2.10 FISURACIÓN POR HIDRÓGENO

La fisuración en frío, correctamente denominada fisuración asistida por

hidrógeno, se manifiesta por la aparición de fisuras inmediatamente, o

transcurridos minutos y en algunos casos

hasta horas después de completada

la soldadura. Estas fisuras pueden presentarse en el cordón de soldadura o en

la zona afectada por el calor del material base. Requiere para su aparición

de la concurrencia de los siguientes factores:

1) Hidrógeno difusible en el metal de soldadura o en la zona afectada

térmicamente del material base.

2) Una microestructura susceptible, típicamente martensita de dureza superior

a los 350 HV. (Las microestructuras de baja tenacidad como martensita y

bainita, son especialmente frágiles cuando están saturadas de hidrógeno).

3)

Alto grado de restricción o tensión residual en la junta, por ejemplo

tensiones residuales o térmicas. (entallas como mordeduras, falta de

penetración e inclusiones promueven deformaciones plásticas que ponen en

movimiento los defectos cristalinos. Cuando el grado de restricción de la

junta es bajo, la fisura será intergranular, en tanto que para altos

factores

de restricción, la fisura será transgranular).

4) Faja de temperaturas entre –100 y 200 ºC.

Es necesaria la combinación de estos factores para producir una fisura por

hidrógeno.

El mecanismo por el cual se produce una fisura por hidrógeno viene de la manocon la disolución de este elemento en forma intersticial, y en sitios

preferenciales tales como bordes de grano, inclusiones y defectos cristalinos.

La teoría más aceptada es la de “decohesión”, la cual sostiene que donde

existe una discontinuidad (pre-fisura), y se aplica una tensión de tracción, el

hidrógeno se acumula en la región de mayor deformación (en el extremo de

la discontinuidad). Esto reduce la energía cohesiva de la red

cristalina, hasta unpunto en que se produce la fisura.


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Consideremos las curvas ilustrativas siguientes, a la izquierda se muestra

como varía la cantidad de H en el metal depositado en función del H en la

atmósfera del arco.

En la derecha se muestra la solubilidad del H en Fe a distintas

temperaturas. Puede observarse la brusca variación de solubilidad en la

transformación líquido - sólido.

Figura 21 Solubilidad del Hidrogeno en el Acero.

Fuente: Metalurgia d e la Soldadura, Carlos Fos ca.

¿Cuáles son las fuentes de hidrógeno?

1) Revestimiento orgánico de electrodos.

2) Humedad absorbida o contenida por revestimientos de electrodos,

especialmente básicos.

3) Humedad del fundente en proceso por arco sumergido.

4) Humedad del gas en procesos bajo protección gaseosa.

La soldadura en estado líquido disuelve cantidades importantes de hidrógeno.

La solubilidad del hidrógeno en el líquido decrece con la temperatura.


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Comparado con otros elementos intersticiales, el hidrógeno posee una

difusividad (capacidad para dispersarse) mucho mayor, siendo por ejemplo

muy superior a la del carbono o del nitrógeno (a 20ºC).

2.2.11 CARBONO EQUIVALENTE:

La soldabilidad de aceros es inversa a la templabilidad. La templabildad del

acero está fuertemente ligada a su composición química. Mayores cantidades

de carbono y de otros elementos de aleación resultan en mayor templabildad, y

por lo tanto una soldabilidad menor.

Para poder evaluar la soldabilidad de las aleaciones, se usa una medida

conocida como el contenido

carbono equivalente, que compara las

soldabilidades relativas de diferentes aleaciones respeto de un acero al

carbono simple. A medida que se eleva el contenido equivalente de carbono, la

soldabilidad de la aleación baja.

La adición de elementos de aleación permite mejorar las propiedades

mecánicas y la resistencia a la corrosión. Estas adiciones desplazan las curvas

TTT hacia la derecha, aumentando la templabilidad

del material.Las fórmulas de Carbono Equivalente (CE) expresan la tendencia del material a

formar estructuras frágiles, y por lo tanto promover la aparición de fisuras por

hidrógeno.

Utilicemos la ecuación desarrollada por el Instituto Internacional de Soldadura,

cuya expresión es la siguiente:


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1. estudio de la soldabilidad de acero astm a-36 con acero vcl mediante el proceso smaw y pos

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