Análisis y determinación del rango de temperatura óptimo para la soldadura brazing con soplete de la tuberia de cobre aleación C12200 tipo k, l y m

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(1)ESCUELA POLITÉCNICA NACIONAL. FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA. ANÁLISIS Y DETERMINACIÓN DEL RANGO DE TEMPERATURA ÓPTIMO PARA LA SOLDADURA BRAZING CON SOPLETE DE LA TUBERÍA DE COBRE ALEACIÓN C12200 TIPO K, L Y M. PROYECTO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. ESTEBAN ALEJANDRO GUANUCHI CHÁVEZ [email protected]. DIRECTOR: ING. MARIO GERMÁN GRANJA RAMÍREZ MSc. [email protected]. Quito, Noviembre 2015.

(2) I. DECLARACIÓN. Yo, Esteban Alejandro Guanuchi Chávez, declaro bajo juramento que el trabajo aquí descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias bibliográficas que se incluyen en este documento. A través de la presente declaración cedo mis derechos de propiedad intelectual correspondientes a este trabajo, a la Escuela Politécnica Nacional, según lo establecido por la Ley de Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.. ________________________________ Esteban Alejandro Guanuchi Chávez..

(3) II. CERTIFICACIÓN. Certifico que el presente trabajo fue desarrollado por el señor Esteban Alejandro Guanuchi Chávez, bajo mi supervisión.. _______________________________ ING. MARIO GRANJA MSc. DIRECTOR DEL PROYECTO. _______________________________ ING. GABRIEL VELASTEGUÍ MSc. COLABORADOR EN EL PROYECTO.

(4) III. AGRADECIMIENTO Agradezco a Dios darme la capacidad y la fuerza para afrontar y superar cada uno de los obstáculos que se han presentado en mi vida. A mi padre, Eduardo por ser siempre mi ejemplo de esfuerzo ante cualquier circunstancia, por su comprensión, cariño, consejos, correcciones y apoyo incondicional en cada etapa de mi vida para ser una persona de bien. A mi madre, Martha, por ser la mezcla perfecta de dulzura y carácter fuerte en mi vida, quien ha formado la persona que soy hoy; quien siempre tiene las palabras y el consejo preciso cuando más lo he necesitado. A mi hermano, Andrés, quien ha sido un pilar indispensable en toda mi vida, mi mayor admiración desde pequeño y mi ejemplo a seguir por su cariño, perseverancia, lucha y alegría para superar cualquier adversidad. A mi padrino Fabián, quien desde muy pequeño ha sido como un padre para mí y me ha brindado su cariño y apoyo en todas las actividades que he realizado. Al Ing. Mario Granja por su dirección en la realización de este proyecto de titulación. Además un agradecimiento muy especial al Ing. Gabriel Velasteguí quien ha sido fundamental en el desarrollo y ejecución de este proyecto, y por darme la oportunidad de trabajar con él, aprender de sus experiencias y vivencias lo que me ha permitido realizarme no solo como un profesional sino también como persona. Al personal de los Laboratorios de Metalografía y de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la Facultad de Ingeniería Mecánica, por brindarme su ayuda y facilitarme el uso de instalaciones y equipos para el desarrollo de este proyecto A mi enamorada quien llegó a mi vida de una manera especial y me ha brindado su apoyo incondicional durante todo este tiempo. Por último a mis amigos y amigas, por formar parte de mi vida al estar en las buenas y en las malas y con quienes he compartido muchos momentos inolvidables. Esteban Alejandro Guanuchi Chávez..

(5) IV. DEDICATORIA. Dedico este proyecto a mi familia, quien me lo ha dado todo y gracias a ellos he podido logar todos mis propósitos planteados. Esteban Guanuchi.

(6) V. CONTENIDO CAPITULO 1 1.1.. FUNDAMENTO TEÓRICO................................................................ 1. COBRE .................................................................................................... 1. 1.1.1. RESEÑA HISTÓRICA ................................................................................ 1 1.1.2. VENTAJAS DEL COBRE ........................................................................... 2 1.1.3. DESVENTAJAS DEL COBRE ................................................................... 4 1.1.4. PROPIEDADES FISICAS, QUIMICAS Y MECÁNICAS DEL COBRE ....... 4 1.2.. METALURGIA DEL COBRE .................................................................... 5. 1.2.1. EXTRACCIÓN DEL MINERAL ................................................................... 5 1.2.2. CHANCADO Y MOLIENDA ....................................................................... 5 1.2.3. PROCESO PARA MINERALES OXIDADOS ............................................. 6 1.2.4. PROCESO PARA MINERALES SULFURADOS ....................................... 7 1.2.5. DISTRIBUCIÓN Y VENTA FINAL .............................................................. 8 1.3.. ELEMENTOS ALEANTES........................................................................ 8. 1.4.. COBRE Y SUS ALEACIONES ............................................................... 10. 1.4.1. COBRE INDUSTRIAL .............................................................................. 11 1.4.2. COBRE DÉBILMENTE ALEADO ............................................................. 11 1.4.3. LATONES ................................................................................................ 12 1.4.4. BRONCES ............................................................................................... 13 1.4.5. CUPRO – ALUMINIOS ............................................................................ 14 1.4.6. CUPRONÍQUEL ....................................................................................... 15 1.5.. ALEACIÓN C12200 ................................................................................ 15. 1.6.. PROCESO. DE. FABRICACIÓN. DE. TUBERIAS. DE. COBRE. ALEACIÓN C12200 ............................................................................... 17 1.6.1. FUNDICIÓN ............................................................................................. 17.

(7) VI. 1.6.2. CALENTAMIENTO................................................................................... 18 1.6.3. EXTRUSIÓN ............................................................................................ 18 1.6.4. LAMINACIÓN ........................................................................................... 18 1.6.5. TREFILADO ............................................................................................. 18 1.6.6. RECOCIDO .............................................................................................. 19 1.6.7. ACABADO ............................................................................................... 19 1.6.8. CONTROL DE CALIDAD ......................................................................... 19 1.6.9. EMBALAJE .............................................................................................. 19 1.7.. CARACTERISTICAS Y VENTAJAS DE LAS TUBERIAS DE COBRE... 20. 1.8.. TUBERÍAS DE COBRE DE TEMPLE RÍGIDO ....................................... 21. 1.8.1. TUBERÍA TIPO M .................................................................................... 21 1.8.2. TUBERÍA TIPO L ..................................................................................... 22 1.8.3. TUBERÍA TIPO K ..................................................................................... 23 CAPITULO 2. SOLDADURA FUERTE .................................................................. 26. 2.1.. DEFINICIÓN........................................................................................... 26. 2.2.. VENTAJAS DE LA SOLDADURA FUERTE ........................................... 26. 2.3.. DESVENTAJAS DE LA SOLDADURA FUERTE.................................... 27. 2.4.. CLASIFICACION DE LOS PROCESOS DE SOLDADURA FUERTE .... 27. 2.4.1. SOLDADURA FUERTE CON SOPLETE ................................................. 28 2.5.. FUNDAMENTOS DE LA SOLDADURA FUERTE .................................. 37. 2.5.1. CAPILARIDAD ......................................................................................... 37 2.5.2. MOJABILIDAD ......................................................................................... 38 2.6.. METAL DE APORTE .............................................................................. 40. 2.6.1. FUSIÓN Y FLUIDEZ ................................................................................ 41 2.6.2. MOJADO Y ADHESIÓN ........................................................................... 41.

(8) VII. 2.6.3. RANGO DE TRABAJO ............................................................................ 41 2.6.4. SELECCIÓN DEL METAL DE APORTE .................................................. 42 2.6.5. GRUPO DE METALES DE APORTE PARA SOLDADURA EN COBRE . 45 2.7.. FUNDENTE ............................................................................................ 51. 2.7.1. FUNDENTE FB3-A .................................................................................. 53 2.7.2. FUNDENTE FB3-C .................................................................................. 53 2.7.3. FUNDENTE FB3-E .................................................................................. 54 2.7.4. FUNDENTE FB3-F................................................................................... 54 2.7.5. FUNDENTE FB3-G .................................................................................. 54 2.7.6. FUNDENTE FB4-A .................................................................................. 54 2.8.. DISEÑO DE JUNTAS ............................................................................. 54. 2.8.1. JUNTAS A TOPE ..................................................................................... 55 2.8.2. JUNTA A TRASLAPE O SOLAPADA ...................................................... 56 2.8.3. SEPARACIÓN DE LA JUNTA .................................................................. 57 2.9.. ACCESORIOS PARA JUNTAS SOLDADAS EN TUBERÍAS................. 58. 2.10.. PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA FUERTE..................................... 60. 2.10.1.LIMPIEZA PREVIA Y PREPARACION DE LAS SUPERFICIES .............. 61 2.10.2.EMPLEO DE FUNDENTE ........................................................................ 61 2.10.3.ENSAMBLADO ........................................................................................ 62 2.10.4.COLOCACIÓN DEL METAL DE APORTE .............................................. 62 2.10.5.ELIMINACION DE FUNDENTE ............................................................... 62 2.11.. INSPECCION DE SOLDADURA FUERTE............................................. 63. 2.12.. IMPERFECCIONES PRESENTES EN JUNTAS SOLDADAS POR SOLDADURA FUERTE ......................................................................... 64. 2.12.1.POROSIDAD Y FALTA DE METAL DE APORTE.................................... 64.

(9) VIII. 2.12.2.ATRAPAMIENTO DE FUNDENTE .......................................................... 64 2.12.3.FILETES DISCONTINUOS ...................................................................... 64 2.12.4.GRIETAS ................................................................................................. 65 2.12.5.ASPECTO SUPERFICIAL INSATISFACTORIO ...................................... 65 2.12.6.EROSIÓN QUÍMICA LOCAL INTERGRANULAR DEL METAL BASE..... 65 CAPITULO 3. NORMATIVA Y LINEAMIENTOS .................................................... 66. 3.1.. ASME SECCIÓN IX PARTE QB ............................................................ 66. 3.2.. VARIABLES DE SOLDADURA FUERTE ............................................... 66. 3.2.1. METAL BASE .......................................................................................... 68 3.2.2. METAL DE APORTE DE SOLDADURA FUERTE ................................... 69 3.2.3. ORIENTACIÓN DE SOLDADURA FUERTE............................................ 70 3.2.4. POSICIONES DE PRUEBA PARA JUNTAS DE SOLAPA, A TOPE, DE BISELES .................................................................................................. 71 3.2.5. TRATAMIENTO TÉRMICO POSTERIOR A SOLDADURA FUERTE ...... 73 3.3.. REGISTROS .......................................................................................... 74. 3.3.1. ESPECIFICACIÓN DEL PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA FUERTE (BPS). ...................................................................................................... 74 3.3.2. REGISTRO DE CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO (PQR) .............. 74 3.4.. TIPOS DE PRUEBAS REQUERIDAS .................................................... 77. 3.4.1. ENSAYO DE TRACCIÓN ........................................................................ 77 3.4.2. ENSAYO DE PELADO............................................................................. 79 CAPITULO 4 4.1.. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL ............................................. 81. PARÁMETROS PRESTABLECIDOS ..................................................... 81. 4.1.1. MATERIAL BASE..................................................................................... 81 4.1.2. TEMPERATURAS EN EL PROCESO DE SOLDADURA ........................ 90.

(10) IX. 4.1.3. METAL DE APORTE ............................................................................... 95 4.1.4. FUNDENTE ............................................................................................. 99 4.1.5. MEDICIÓN DE TEMPERATURA ........................................................... 100 4.2.. JUNTAS SOLDADAS ........................................................................... 109. 4.2.1. PREPARACIÓN DE JUNTAS ................................................................ 109 4.2.2. SOLDADURA DE PROBETAS .............................................................. 113 4.3.. PROBETAS SOLDADAS PARA ENSAYO DE TENSIÓN .................... 115. 4.4.. PROBETAS SOLDADAS PARA ENSAYO DE PELADO ..................... 118. 4.5.. PROBETAS SOLDADAS PARA ANÁLISIS MICROGRÁFICO ............ 122. 4.5.1. EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA .......................................................... 122 4.5.2. MONTAJE DE LA MUESTRA ................................................................ 122 4.5.3. DESBASTE GRUESO ........................................................................... 124 4.5.4. DESBASTE FINO .................................................................................. 124 4.5.5. PULIDO.................................................................................................. 125 4.5.6. ATAQUE QUÍMICO................................................................................ 125 4.5.7. OBTENCIÓN DE LA MICROGRAFÍA .................................................... 128 4.6.. PROBETAS SOLDADAS PARA ANÁLISIS MACROGRÁFICO ........... 129. 4.6.1. EXTRACCIÓN DE LA MUESTRA .......................................................... 129 4.6.2. ATAQUE QUÍMICO................................................................................ 129 4.6.3. OBTENCIÓN DE LA MACROGRAFÍA ................................................... 130 CAPITULO 5 5.1.. ANÁLISIS DE RESULTADOS ....................................................... 131. MATERIAL BASE ................................................................................. 131. 5.1.1. ANÁLISIS DEL ENSAYO DE TRACCIÓN ............................................. 131 5.1.2. ANÁLISIS MICROGRÁFICO .................................................................. 136 5.2.. JUNTAS SOLDADAS ........................................................................... 146.

(11) X. 5.2.1. ESPECIFICACIÓN DEL PROCEDIMEINTO DE SOLDADURA FUERTE BPS ........................................................................................................ 146 5.2.2. INSPECCIÓN VISUAL ........................................................................... 156 5.2.2. ENSAYO DE TRACCIÓN ...................................................................... 165 5.2.3. ENSAYO DE PELADO........................................................................... 175 5.3.. REGISTRO DE CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO ..................... 200. 5.4.. ANÁLISIS METALOGRÁFICO ............................................................. 210. 5.5.. ANÁLISIS MACROGRÁFICO............................................................... 220. CAPITULO 6. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES ................................ 230. BIBLIOGRAFÍA ....................................................................................................... 235 ANEXOS ................................................................................................................. 238.

(12) XI. ÍNDICE DE FIGURAS. Figura 1.1 Proceso de obtención de cátodos de cobre, a partir de un oxido. .............. 6 Figura 1.2 Proceso de obtención de cátodos de cobre, a partir de sulfuros. ............... 7 Figura 1.3 Diagrama de equilibrio Cu-Zn. ................................................................. 13 Figura 1.4 Diagrama de equilibrio Cu-Sn. ................................................................. 14 Figura 1.5 Diagrama de equilibrio Cu-Al. .................................................................. 15 Figura 1.6 Proceso de fabricación de tuberías de cobre. .......................................... 17 Figura 2.1 Equipo para soladura fuerte con soplete. ................................................. 28 Figura 2.2 Elementos básicos de un soplete. ............................................................ 33 Figura 2.3 Tipos de boquillas para sople. .................................................................. 34 Figura 2.4 Llama neutra. ........................................................................................... 36 Figura 2.5 Llama oxidante. ........................................................................................ 36 Figura 2.6 Llama reductora o carburante. ................................................................. 37 Figura 2.7 Capilaridad de un líquido a través de las paredes de un tubo capilar. ..... 37 Figura 2.8 Capilaridad del agua. ............................................................................... 38 Figura 2.9 Capilaridad del mercurio. ......................................................................... 38 Figura 2.10 Representación esquemática de una gota. ............................................ 39 Figura 2.11 Representación de los ángulos de contacto sobre una superficie. ........ 40 Figura 2.12 Rango de trabajo de un metal de aporte. ............................................... 42 Figura 2.13 Diagrama de fase de las aleaciones del sistema Cu-P-Ag. .................... 51 Figura 2.14 Tipos de juntas utilizadas en soldadura fuerte. ...................................... 55 Figura 2.15 Configuraciones de una junta a tope. ..................................................... 55 Figura 2.16 Configuraciones de una junta a traslape. ............................................... 56 Figura 2.17 Diseño de uniones traslapadas para soldadura fuerte que se usaran con esfuerzos bajos y altos. ............................................................................................. 56 Figura 2.18 Incidencia de la separación de la junta solada sobre su resistencia mecánica. .................................................................................................................. 57 Figura 2.19 Accesorios para juntas soldadas en tuberías. ........................................ 59 Figura 3.1 Orientaciones de soldadura fuerte ........................................................... 70.

(13) XII. Figura 3.2 Posiciones de juntas para pruebas de juntas soldadas............................ 72 Figura 3.3 Formato sugerido para especificaciones de procedimiento de soldadura fuerte (BPS)............................................................................................................... 75 Figura 3.4 Formato sugerido para especificaciones de procedimiento de soldadura fuerte (BPS)............................................................................................................... 76 Figura 3.5 Probeta para ensayo de tracción de sección plena de tubería de diámetro pequeño para juntas a tope y traslape. ..................................................................... 78 Figura 3.6 Probeta para ensayo de pelado. .............................................................. 79 Figura 4.1 Maquina universal de ensayos TINIUS OLSEN. ...................................... 84 Figura 4.2 Especímenes tubulares de prueba y su ubicación en las mordazas. ....... 84 Figura 4.3 Dimensiones de las probetas tubulares para ensayo de tracción. ........... 85 Figura 4.4 Dimensiones de las clavijas metálicas para probetas tubulares de tracción. ..................................................................................................................... 86 Figura 4.5 Montaje adecuado de las probetas de tracción para material base de cada tipo de tubería en la máquina universal. ........................................................... 87 Figura 4.6 Proceso de calentamiento de probetas a diferentes temperaturas. ......... 91 Figura 4.7 Probetas tras ser sometidas a cada temperatura de prueba. ................... 92 Figura 4.8 Diseño de junta soldada (tubería - accesorio acople hembra). ................ 97 Figura 4.9 Conexiones de termopar y extensión de termocupla en bornera. .......... 101 Figura 4.10 Conexiones de la extensión de termocupla al micro conector. ............ 103 Figura 4.11 Elaboración de soporte. ....................................................................... 104 Figura 4.12 Medición de temperatura con termómetro digital en el proceso. .......... 105 Figura 4.13 Emisividad de la superficie nominal. .................................................... 107 Figura 4.14 Objetivo fijado mediante el láser de la unidad. ..................................... 107 Figura 4.15 Distancia y tamaño del punto explorado. ............................................. 108 Figura 4.16 Campo Visual. ...................................................................................... 108 Figura 4.17 Medición de temperatura en la junta soldada para cada tipo de probeta. ................................................................................................................................ 109 Figura 4.18 Corte del tubo a medida. ...................................................................... 110 Figura 4.19 Eliminación de rebabas de la pared interna de la tubería. ................... 111.

(14) XIII. Figura 4.20 Limpieza de superficies en contacto con lija 1500 (granos/pulgada lineal) ................................................................................................................................ 111 Figura 4.21 Aplicación del fundente. ....................................................................... 112 Figura 4.22 Montaje de la junta. .............................................................................. 112 Figura 4.23 Aporte de calor. .................................................................................... 114 Figura 4.24 Aplicación de metal de aporte y soldadura de la junta. ........................ 115 Figura 4.25 Enfriamiento y limpieza final. ................................................................ 115 Figura 4.26 Dimensiones de probetas soldadas para ensayo de tensión. .............. 116 Figura 4.27 Montaje adecuado de las probetas soldadas para ensayo de tracción de cada tipo de tubería en la maquina universal. ......................................................... 117 Figura 4.28 Dimensiones de probetas soldadas para ensayo de pelado de cada tipo de tubería. ............................................................................................................... 118 Figura 4.29 Abertura de tubería soldada para ensayo de pelado............................ 119 Figura 4.30 Separación de junta soldada. ............................................................... 120 Figura 4.31 Ataque químico al área de pelado para análisis. .................................. 120 Figura 4.32 Análisis del área de pelado. ................................................................. 121 Figura 4.33 Defectos y discontinuidades presentes en el ensayo de pelado. ......... 121 Figura 4.34 Extracción de muestra para micrografía............................................... 122 Figura 4.35 Montaje de probetas............................................................................. 123 Figura 4.36 Operación de desbaste grueso. ........................................................... 124 Figura 4.37 Operación de desbaste fino. ................................................................ 125 Figura 4.38 Operación de pulido. ............................................................................ 125 Figura 4.39 Preparación del reactivo químico número 34b. .................................... 127 Figura 4.40 Ataque químico de la muestra por inmersión. ...................................... 127 Figura 4.41 Remoción de exceso de reactivo y secado de probeta. ....................... 128 Figura 4.42 Captura de metalografía. ...................................................................... 128 Figura 4.43 Extracción de muestra para macrografía. ............................................ 129 Figura 4.44 Ataque químico por frotación. .............................................................. 130 Figura 4.45 Extracción de muestra para macrografía. ............................................ 130 Figura 5.1 BPS 001 ................................................................................................. 148 Figura 5.2 BPS 002 ................................................................................................. 149.

(15) XIV. Figura 5.3 BPS 003 ................................................................................................. 150 Figura 5.4 BPS 004 ................................................................................................. 151 Figura 5.5 BPS 005 ................................................................................................. 152 Figura 5.6 BPS 006 ................................................................................................. 153 Figura 5.7 BPS 007 ................................................................................................. 154 Figura 5.8 BPS 008 ................................................................................................. 155 Figura 5.9 PQR 001 ................................................................................................ 202 Figura 5.10 PQR 002 .............................................................................................. 203 Figura 5.11 PQR 003 .............................................................................................. 204 Figura 5.12 PQR 004 .............................................................................................. 205 Figura 5.13 PQR 004 .............................................................................................. 206 Figura 5.14 PQR 005 .............................................................................................. 207 Figura 5.15 PQR 007 .............................................................................................. 208 Figura 5.16 PQR 008 .............................................................................................. 209.

(16) XV. ÍNDICE DE GRÁFICAS. Gráfica 5.1 Variación de la resistencia última a la tracción de tuberías de cobre aleación C12200 tipo M. .......................................................................................... 132 Gráfica 5.2 Variación de la resistencia ultima a la tracción de tuberías de cobre aleación C12200 tipo L. ........................................................................................... 134 Gráfica 5.3 Variación de la resistencia última a la tracción para tuberías de cobre aleación C12200 tipo K. .......................................................................................... 135 Gráfica 5.4 Variación del espesor de pared promedio de tuberías de cobre aleación C12200 tipo M, a cada temperatura de prueba. ...................................................... 137 Gráfica 5.5 Variación del espesor de pared promedio de tuberías de cobre aleación C12200 tipo L, a cada temperatura de prueba. ....................................................... 139 Gráfica 5.6 Variación del espesor de pared promedio de tuberías de cobre aleación C12200 tipo K, a cada temperatura de prueba. ....................................................... 140 Gráfica 5.7 Variación del diámetro promedio de grano, de tuberías de cobre aleación C12200 tipo M, según la norma ASTM E112, a cada temperatura de prueba. ....... 142 Gráfica 5.8 Variación del diámetro promedio de grano, de tuberías de cobre aleación C12200 tipo L, según la norma ASTM E112, a cada temperatura de prueba. ........ 144 Gráfica 5.9 Variación del diámetro promedio de grano, de tuberías de cobre aleación C12200 tipo K, según la norma ASTM E112, a cada temperatura de prueba. ........ 145.

(17) XVI. ÍNDICE DE TABLAS. Tabla 1.1 Propiedades principales del cobre............................................................... 4 Tabla 1.2 Impureza o elemento aleante y su influencia sobre el cobre. ...................... 8 Tabla 1.3 Clasificación genérica de las aleaciones de cobre forjadas. ..................... 10 Tabla 1.4 Clasificación genérica de las aleaciones de cobre fundidas. ..................... 10 Tabla 1.5 Propiedades de la aleación C12200 .......................................................... 16 Tabla 1.6 Codificación de tuberia de temple rígido tipo M. ........................................ 21 Tabla 1.7 Tolerancias dimensionales de la tuberia de temple rígido tipo M. ............. 22 Tabla 1.8 Codificación de tuberia de temple rígido tipo L. ......................................... 23 Tabla 1.9 Tolerancias dimensionales de la tuberia de temple rígido tipo L. .............. 23 Tabla 1.10 Codificación de tuberia de temple rígido tipo K. ...................................... 24 Tabla 1.11 Tolerancias dimensionales de la tuberia de temple rígido tipo K. ............ 25 Tabla 1.12 Especificaciones técnicas de los tipos de tuberías de temple rígido ....... 25 Tabla 2.1 Características de los gases combustibles comunes. ............................... 32 Tabla 2.2 Tipos de mangos de sopletes. ................................................................... 33 Tabla 2.3 Tamaño de la boquilla en función del espesor. ......................................... 35 Tabla 2.4 Combinaciones metal base – metal de aporte. ......................................... 44 Tabla 2.5 Composición química de metales de aporte base plata. ........................... 45 Tabla 2.6 Composición química de metales de aporte base oro. .............................. 46 Tabla 2.7 Composición química de metales de aporte base cobre-zinc. .................. 47 Tabla 2.8 Composición química de metales de aporte base cobre- fósforo. ............. 47 Tabla 2.9 Clasificación de fundentes para soladura fuerte en base del material de aporte utilizado. ......................................................................................................... 53 Tabla 2.10 Separación recomendada de la unión para soldadura fuerte. ................. 58 Tabla 2.11 Tolerancias dimensionales en accesorios de acoplamiento. ................... 60 Tabla 3.1 Variables de soldadura para Especificación de procedimiento para soldadura fuerte con soplete. .................................................................................... 67 Tabla 3.2 Grupo de materiales del código ASME Sección IX. .................................. 68.

(18) XVII. Tabla 3.3 Números P de materiales ferrosos y no ferrosos del código ASME Sección IX para calificaciones ................................................................................................ 69 Tabla 3.4 Números F del grupo de metales de aporte del código ASME sección IX para calificaciones. .................................................................................................... 69 Tabla 3.5 Pruebas requeridas para calificación de procedimiento según el espesor del material. ............................................................................................................... 77 Tabla 4.1 Probetas para el ensayo de espectrometría por chispa ............................ 82 Tabla 4.2 Composición química de la aleación C12200 para cada tipo de tubería. .. 83 Tabla 4.3 Composición química porcentaje en peso. ................................................ 83 Tabla 4.4 Resultados del ensayo de tracción de las probetas de aleación C12200 para cada tipo de tubería........................................................................................... 87 Tabla 4.5 Requerimientos de propiedades mecánicas – resistencia a la tracción. ... 88 Tabla 4.6 Resultados del ensayo metalográfico de las probetas de aleación C12200 para cada tipo de tubería........................................................................................... 89 Tabla 4.7 Requerimientos de propiedades mecánicas – tamaño promedio de grano. .................................................................................................................................. 90 Tabla 4.8 Resultados del ensayo de tracción de las probetas de aleación C12200 para cada tipo de tubería, a diferentes temperaturas. ............................................... 93 Tabla 4.9 Especificaciones técnicas metal de aporte AWS BCuP-3. ........................ 95 Tabla 4.10 Especificaciones técnicas metal de aporte AWS BCuP-5. ...................... 96 Tabla 4.11 Longitud de varilla de metal de aporte empleada .................................... 98 Tabla 4.12 Especificaciones Técnicas del Fundente FB3-A. .................................. 100 Tabla 4.13 Especificaciones técnicas del termopar industrial con aislador cerámico. ................................................................................................................................ 101 Tabla 4.14 Especificaciones técnicas del termómetro digital. ................................. 102 Tabla 4.15 Especificaciones técnicas del termómetro infrarrojo.............................. 106 Tabla 4.16 Reactivos químicos para análisis metalográfico del cobre y sus aleaciones ............................................................................................................... 126 Tabla 4.17 Reactivo químico número 34b para cobre puro. .................................... 126 Tabla 5.1 Carga máxima registrada y resistencia última a la tracción de tuberías de cobre aleación C12200 tipo M. ................................................................................ 132.

(19) XVIII. Tabla 5.2 Carga máxima registrada y resistencia última a la tracción de tuberías de cobre aleación C12200 tipo L. ................................................................................. 133 Tabla 5.3 Carga máxima registrada y resistencia última a la tracción para tuberías de cobre aleación C12200 tipo K. ........................................................................... 135 Tabla 5.4 Espesor de pared promedio de tuberías de cobre aleación C12200 tipo M, a cada temperatura de prueba. ............................................................................... 137 Tabla 5.5 Espesor de pared promedio de tuberías de cobre aleación C12200 tipo L, a cada temperatura de prueba. ............................................................................... 138 Tabla 5.6 Espesor de pared de promedio de tuberías de cobre aleación C12200 tipo K, a cada temperatura de prueba. ........................................................................... 140 Tabla 5.7 Tamaño promedio de grano de tuberías de cobre aleación C12200 tipo M, según la norma ASTM E112, a cada temperatura de prueba. ................................ 142 Tabla 5.8 Tamaño promedio de grano de tuberías de cobre aleación C12200 tipo L, según la norma ASTM E112, a cada temperatura de prueba. ................................ 143 Tabla 5.9 Tamaño promedio de grano de tuberías de cobre aleación C12200 tipo K, según la norma ASTM E112, a cada temperatura de prueba. ................................ 145 Tabla 5.10 Inspección visual de las juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo M, utilizando metal de aporte AWS BCuP-3. ........................ 157 Tabla 5.11 Inspección visual de las juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo M, utilizando metal de aporte AWS BCuP-5. ........................ 158 Tabla 5.12 Inspección visual de las juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo L, utilizando metal de aporte AWS BCuP-3. ......................... 160 Tabla 5.13 Inspección visual de las juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo L, utilizando metal de aporte AWS BCuP-5. ......................... 161 Tabla 5.14 Inspección visual de las juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo K, utilizando metal de aporte AWS BCuP-3. ......................... 163 Tabla 5.15 Inspección visual de las juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo K, utilizando metal de aporte AWS BCuP-5. ......................... 164 Tabla 5.16 Resistencia última a la tracción de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo M, con metal de aporte AWS BCuP-3......................... 166.

(20) XIX. Tabla 5.17 Resistencia última a la tracción de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo M, con metal de aporte AWS BCuP-5......................... 167 Tabla 5.18 Resistencia última a la tracción de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo L, con metal de aporte AWS BCuP-3.......................... 170 Tabla 5.19 Resistencia última a la tracción de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo L, con metal de aporte AWS BCuP-5.......................... 171 Tabla 5.20 Resistencia última a la tracción de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo K, con metal de aporte AWS BCuP-3. ........................ 173 Tabla 5.21 Resistencia última a la tracción de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo K, con metal de aporte AWS BCuP-5. ........................ 174 Tabla 5.22 Resultados del ensayo de pelado de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo M, con metal de aporte AWS BCuP-3......................... 177 Tabla 5.23 Resultados del ensayo de pelado de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo M, con metal de aporte AWS BCuP-5......................... 180 Tabla 5.24 Resultados del ensayo de pelado de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo L, con metal de aporte AWS BCuP-3.......................... 185 .Tabla 5.25 Resultados del ensayo de pelado de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo L, con metal de aporte AWS BCuP-5.......................... 188 Tabla 5.26 Resultados del ensayo de pelado de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo K, con metal de aporte AWS BCuP-3. ........................ 193 Tabla 5.27 Resultados del ensayo de pelado de las juntas soldadas de tubería de cobre aleación C12200 tipo K, con metal de aporte AWS BCuP-5. ........................ 196 Tabla 5.28 Microestructuras de las tuberías de cobre aleación C12200 tipo M, a cada temperatura de prueba. .................................................................................. 210 Tabla 5.29 Microestructuras de las tuberías de cobre aleación C12200 tipo L, a cada temperatura de prueba. ........................................................................................... 214 Tabla 5.30 Microestructuras de las tuberías de cobre aleación C12200 tipo K, a cada temperatura de prueba. ........................................................................................... 217 Tabla 5.31 Macrografías de las juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo M, utilizando metal de aporte AWS BCuP-3. ........................ 221.

(21) XX. Tabla 5.32 Macrografías de la juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo M, utilizando metal de aporte AWS BCuP-5. ........................ 222 Tabla 5.33 Macrografías de la juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo L, utilizando metal de aporte AWS BCuP-3. ......................... 224 Tabla 5.34 Macrografías de la juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo L, utilizando metal de aporte AWS BCuP-5. ......................... 225 Tabla 5.35 Macrografías de la juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo K, utilizando metal de aporte AWS BCuP-3. ......................... 227 Tabla 5.36 Macrografías de la juntas soldadas a traslape de tuberías de cobre aleación C12200 tipo K, utilizando metal de aporte AWS BCuP-5. ......................... 228.

(22) XXI. RESUMEN El presente proyecto de titulación realiza un estudio a fondo del rango de temperatura óptimo para la soldadura fuerte de tuberías de cobre aleación C12200 tipo K, L y M, permitiendo tener una técnica de ejecución adecuada para la obtención de juntas soldadas resistentes, de buena calidad y óptimas para su desempeño final. El estudio se inicia mediante una introducción teórica a los conceptos básicos del cobre como son sus características físicas y químicas, para dar paso a los métodos de obtención, fabricación y elaboración de productos terminados. Se analiza la clasificación de las aleaciones de cobre, sus características principales, ventajas y desventajas que se presentan al utilizar estos materiales y su aplicación en la industria. Establecido los conceptos básicos sobre el cobre y sus aleaciones, se analiza uno de los métodos de unión de tuberías de cobre, como es la soldadura fuerte con soplete. Se examina cada una de las variables de soldadura que intervienen en el proceso y su influencia en las características de la junta soldada. Para la evaluación de las probetas soldadas, se utiliza el código ASME sección IX parte QB, la cual establece los lineamientos de preparación, extracción y evaluación de especímenes de prueba, mediante los criterios de aceptación del código, para obtener una junta soldada bien realizada que cumple estándares internacionales y aseguran su buen desempeño. Finalmente se analizan los resultados obtenidos de los ensayos realizados a los especímenes de prueba, y se verifica cuales cumplen y no cumplen los criterios de aceptación del código, para finalmente elaborar una calificación de procedimiento de soldadura fuerte que garantice una junta soldada resistente y de calidad, en sistemas de transporte de fluidos que utilicen tuberías de cobre aleación C12200..

(23) XXII. PRESENTACIÓN Los sistemas de transporte de fluidos que utilizan tuberías de cobre, son de gran aplicación debido a que presentan una alta resistencia a la corrosión, larga durabilidad, perdidas mínimas de carga en transporte y facilidad de montaje. Las tuberías de cobre presentan una variedad de métodos de unión como la soldadura fuerte, soldadura blanda y la compresión dinámica; estas técnicas pueden utilizarse para mejorar la eficiencia, calidad y además reducir los costos de instalación de los sistemas. Varias calificaciones de procedimiento de soldadura fuerte con soplete, realizados en el Laboratorio de Soldadura de la Escuela Politécnica Nacional, para la soldadura de sistemas de transporte de fluidos utilizando tuberías de cobre como material base, han fallado, debido a que las juntas soldadas de prueba, se han fragilizado y no presentan la resistencia mecánica adecuada para su posterior desempeño. El presente proyecto abarca el estudio de la soldadura fuerte de tuberías de cobre, aleación C12200 tipo K, L y M, que es la aleación más utilizada, y en el caso de algunos proveedores, la única en el país. El proyecto se enfoca en el estudio de la incidencia que tiene el aporte de calor de la fuente de calentamiento, sobre las propiedades mecánicas del material y de la junta soldada, permitiendo determinar el rango de temperatura óptimo para la ejecución de la soldadura fuerte de tuberías de cobre, sin una alteración brusca de sus propiedades mecánicas y cumpliendo los criterios de aceptación del código ASME sección IX parte QB, para la calificación del procedimiento utilizado. Con dicha información se puede aportar para la ejecución de una técnica apropiada de la soldadura fuerte de tuberías de cobre, que permita obtener juntas soldadas confiables y de calidad..

(24) 1. CAPITULO 1. FUNDAMENTO TEÓRICO. FUNDAMENTO TEÓRICO El cobre es el metal industrial más antiguo de la tierra cuya incidencia ha sido una constante en el avance de la civilización y desarrollo de la humanidad debido a sus principales características y su aplicación en varios campos de la industria. El presente capítulo abarca una breve historia, características, propiedades, clasificación y aplicación del cobre y sus aleaciones.. 1.1.. COBRE. 1.1.1. RESEÑA HISTÓRICA El cobre es uno de los metales más utilizados por el ser humano desde la antigüedad, su utilización se remonta hace unos 10000 años, cuando la humanidad dejó su dependencia por las herramientas de piedra y empezó a utilizar un metal disponible en la naturaleza que sea maleable, dúctil y resistente. La existencia de vetas del mineral de cobre entre Asia y Europa, facilitó el acceso a las civilizaciones que florecían en torno al mar Mediterráneo para disponer de este novedoso elemento metálico y fabricar herramientas y ornamentos. Se atribuye el empleo del cobre a los Sumerios, considerada la primera civilización del mundo, de quienes se han encontrado objetos ornamentales de más de 6500 años de antigüedad elaborados a partir de cobre nativo. Entre el 4000 y 3000 A.C. los egipcios utilizaban el cobre con una gran versatilidad para crear objetos que satisfagan las necesidades de la vida cotidiana, se ha podido comprobar por los hallazgos en estas zonas, que los egipcios utilizaban el cobre para fabricar tuberías y poder transportar agua de uso doméstico e incluso para sanitarios; además elaboraron procedimientos para obtener determinadas aleaciones con otros metales. Hacia 3000 A.C aproximadamente, conocida como la Era del Bronce, los egipcios perfeccionaron los procedimientos de la aleación Cobre- Estaño (Bronces) y 1000 A.C aparecieron las aleaciones Cobre- Zinc (Latónes) mientras que en la China se empezó a utilizarse las aleaciones Cobre- Niquel-Zinc (Packfong). Las civilizaciones romana y griega también disponían del.

(25) 2 conocimiento de aleaciones de cobre importantes, dándole un uso variado en empuñaduras de espadas, grifería, espejos de mano y corazas, debido a que el trabajo del hierro aun debía perfeccionarse y el plomo apenas se lo conocía. A medida que la civilización avanza también empieza a existir un agotamiento de los minerales con alta ley de cobre como la malaquita, y los procesos metalúrgicos milenarios desarrollados para obtener el metal, se ven reemplazados paulatinamente por técnicas nuevas. En la edad media la principal necesidad del mineral fue bélica, destinado para la fabricación de hachas, espadas, cascos y armaduras además de usarse en la fabricación de candelabros, joyeros, cofres y estuches. En la edad moderna en los siglos XVII y XVIII con el desarrollo del barroco el cobre es utilizado en obras monumentales como catedrales para embellecer su interior; posterior de ser un elemento utilizado en la estética, el cobre pasa a ser uno de los elementos indispensables en la revolución industrial el cual es utilizado para la fabricación de piezas de nuevas maquinarias. La alta demanda que se generó a partir de la Revolución Industrial, donde las reservas no pudieron dar abasto y en otros casos se agotaron, fue un estímulo para la búsqueda de tecnologías que permitieran aprovechar los yacimientos porfíricos (el metal se encuentra mezclado con grandes cantidades de componentes y roca estéril). A partir del siglo XIX empezaron a utilizarse los metales aluminio y níquel para la obtención de nuevas aleaciones Cobre-Aluminio (Bronce al Aluminio) y aleaciones Cobre-Níquel (cuproníqueles), elevando aun todavía más la demanda de cobre por parte de la industria ya que su aplicación todavía sigue en auge desde fontanería, telecomunicaciones, instalaciones eléctricas, paneles fotovoltaicos hasta tecnología aeroespacial. 1.1.2. VENTAJAS DEL COBRE El cobre y sus aleaciones constituyen uno de los principales grupos de metales comerciales disponibles actualmente en el mercado, debido a que son ampliamente utilizados por las características que presentan, entre las principales se tiene:.

(26) 3 1.1.2.1.. Resistencia a la corrosión. El cobre es un metal de transición pero puede ser atacado por reactivos comunes o por el medio ambiente. El cobre puro resiste muy bien los ataques corrosivos de la mayoría de medios agresivos, debido a la formación de óxidos estables y de energía libre de formación baja, sobre su superficie externa, sin embargo, algunas aleaciones de cobre, tienen una utilidad limitada en ciertos ambientes, debido a la fragilización por hidrógeno o corrosión bajo tensión (SCC). 1.1.2.2.. Conductividad Eléctrica. Se define como la capacidad que presenta un material para permitir el paso de la corriente eléctrica libremente, la cual depende de su estructura atómica y molecular y en el caso del cobre, el cual en su configuración electrónica incluye el orbital “d” lleno de electrones, permite que se tenga una nube de electrones que pueden ser excitados formando un campo eléctrico alto y convirtiéndole en el segundo mejor conductor eléctrico después de la plata. La norma IACS (International Annealed Copper Standard), que evalúa los conductores como el cobre y otros conductores, determinó al cobre con un valor arbitrario del 100%. Es por este motivo que se lo usa principalmente en alambres y cables eléctricos, contactos eléctricos y diversos artículos que se utilizan en aplicaciones eléctricas. 1.1.2.3.. Conductividad Térmica. Se define como la capacidad de un material para transportar calor, y en caso del cobre y sus aleaciones se los determinan como muy buenos conductores, debido a que exhiben un número elevado de electrones libres que participan en la conducción térmica. La conductividad térmica y eléctrica en el cobre, se ve disminuida al combinar el metal puro con algún elemento aleante o impureza. 1.1.2.4.. Facilidad de fabricación. Se puede conformar piezas de formas y dimensiones variadas, para lo cual se utilizan distintos procesos de fabricación, a alta y baja temperatura, como es laminado, extrusión, forja, estampado, el estirado sin ningún inconveniente, además para fines decorativos, este material puede ser pulido, texturado o recubierto..

(27) 4 La versatilidad de este material permite realizar ensambles por diversos procesos mecánicos y soldarse por procesos tradicionales (soldering y brazing) dependiendo los requerimientos del servicio, configuración de la unión, espesor de los componentes y la composición de la aleación. 1.1.2.5.. Tratable térmicamente. Se pueden aplicar al cobre y sus aleaciones diferentes tratamientos térmicos para lograr la homogeneización, la eliminación de tensiones, solubilización, endurecimiento por precipitación, temple y revenido, que permitirán modificar las propiedades mecánicas iniciales del material base, como su dureza, resistencia mecánica, ductilidad, tamaño de grano, que son características requeridas dependiendo las condiciones de servicio o aplicación del material. 1.1.3. DESVENTAJAS DEL COBRE El cobre al estar presente en la naturaleza en forma de diferentes minerales, requiere de un proceso de extracción metalúrgica compleja, por lo que su obtención no es fácil, a pesar de existir en cantidades considerables en algunos yacimientos alrededor del mundo. Su compleja y elaborada, extracción y refinación para obtención de productos terminados a base de cobre, aumentan considerablemente el costo de este metal, por lo que instalaciones o productos hechos de este material presentan un costo elevado en comparación con elementos similares fabricados de otros materiales. 1.1.4. PROPIEDADES FISICAS, QUIMICAS Y MECÁNICAS DEL COBRE Las propiedades más importantes del cobre se detallan en la Tabla 1.1. Tabla 1.1 Propiedades principales del cobre. Propiedad. Unidad. Número atómico. Valor 29. Masa atómica. [g/mol]. 63.54. Radio atómico. [Å]. 128. Valencias. +1, +2. Electronegatividad. 1.9. Estructura cristalina. CCC.

(28) 5 [g/cm3]. 8.96. Punto de fusión. [°C]. 1083. Punto de ebullición. [°C]. 2595. Energía interna, (μ). [J/kg]. 3.98*105. Calor especifico, (cp). [J/(g*K)]. 0.385. Conductividad térmica. [W/(m*K)]. 400. Conductividad eléctrica a 20 [ºC]. [106*Ω*m]. 58108. Coeficiente de expansión lineal, (α). [1/(106*K)]. 23.1. Módulo de elasticidad, (E). [MPa]. 110000. Módulo de elasticidad transversal, (G). [MPa]. 42500. Densidad, (ρ) a 20 [ºC]. Coeficiente de Poisson, (ʋ). 0.34. Fuente: (Galbarro, 2014).. 1.2.. METALURGIA DEL COBRE. 1.2.1. EXTRACCIÓN DEL MINERAL El cobre como metal se encuentra en la naturaleza en diversas presentaciones ya sea en forma asociada a sulfuros del cual se obtiene concentrados de mineral u óxidos a partir de los cuales se obtiene una solución rica en iones de cobre. Estos dos tipos de mineral requieren de procesos productivos diferentes, pero en ambos casos el punto de partida es el mismo: la extracción del material desde la mina a tajo abierto o subterránea que, en forma de roca, es transportado en camiones a la planta de chancado, para continuar allí el proceso productivo del cobre. 1.2.2. CHANCADO Y MOLIENDA Chancado es la etapa en la cual grandes molinos reducen las rocas a un tamaño uniforme de no más de 1.2 [cm]. Luego viene un segundo proceso en el cual se continua reduciendo el material, hasta llegar a unos 0.18 [mm]. En esta parte, el proceso del cobre puede tomar dos caminos: si el mineral es tipo sulfuros, va a ser procesado por fundición y electro-refinación o si el mineral es del tipo óxido se va a procesar a través de lixiviación y electro-obtención..

(29) 6 1.2.3. PROCESO PARA MINERALES OXIDADOS La lixiviación, o extracción sólido-líquido, es un proceso hidrometalúrgico en el que un disolvente líquido se pone en contacto con un sólido pulverizado para que se produzca la disolución de uno de los componentes del sólido a través de una serie de pasos como se observa en la Figura 1.1. Este proceso permite obtener el cobre de los minerales oxidados que lo contienen, aplicando una mezcla de ácido sulfúrico y agua.. Figura 1.1 Proceso de obtención de cátodos de cobre, a partir de un oxido. Fuente: (CODELCO, 2011). La Electro-obtención consiste en una electrólisis mediante la cual se recupera el cobre de la solución proveniente de la lixiviación, obteniéndose cátodos de alta pureza. Se aplica una corriente eléctrica continua mediante un par de electrodos conectados a una fuente de alimentación eléctrica y sumergida en una solución. El electrodo conectado al polo positivo se conoce como ánodo, y el conectado al negativo como cátodo, en el cual se obtienen cátodos de cobre de alta pureza (99,9% de cobre)..

(30) 7 1.2.4. PROCESO PARA MINERALES SULFURADOS La etapa de Fundición sirve para separar del concentrado de cobre otros minerales (hierro, azufre y sílice) e impurezas. Este es tratado a elevadas temperaturas en hornos especiales. Aquí se obtiene cobre RAF, el que es moldeado en placas llamadas ánodos, que van a la electro-refinación como se observa en la Figura 1.2.. Figura 1.2 Proceso de obtención de cátodos de cobre, a partir de sulfuros. Fuente: (CODELCO, 2011)..

(31) 8 En la Electro-refinación los ánodos provenientes de la fundición se llevan a celdas electrolíticas para su refinación. De este proceso se obtienen cátodos de alta pureza o cátodos electrolíticos, de 99,99% de cobre. Los cátodos son unas planchas de un metro cuadrado y un peso de 55 kg. 1.2.5. DISTRIBUCIÓN Y VENTA FINAL Los cátodos obtenidos del proceso de electro-refinación y de electro-obtención, son sometidos a procesos de revisión de calidad y luego seleccionados, pesados y apilados. Los paquetes de cátodos se etiquetan para poder realizar un seguimiento de cada uno hasta el cliente final. Luego son despachados en trenes o camiones hacia los puertos de embarque y desde ahí, a los principales mercados compradores. (3M, 2015).. 1.3.. ELEMENTOS ALEANTES. Los elementos aleantes en cantidades residuales ejercen una influencia positiva y negativa sobre las propiedades finales del cobre. El bismuto, flúor y selenio son los que actúan en forma desfavorable en las condiciones de deformación en caliente y en frio, debido a que son solubles en el cobre y forman fases aisladas que presentan puntos de fusión bajos. En tanto que, ciertos elementos, como el cinc, plomo, fósforo, arsénico y níquel, se añaden con el objetivo de mejorar ciertas propiedades básicas del cobre que son más importantes para una determinada aplicación. En la Tabla 1.2 se presenta el elemento aleante y su influencia sobre las propiedades el material. Tabla 1.2 Impureza o elemento aleante y su influencia sobre el cobre. Elemento. Influencia Aumenta la tenacidad.. Arsénico. Mejora la resistencia a la corrosión. Mejora en pequeña proporción la ductilidad. Disminuye la conductividad eléctrica.. Antimonio. Bismuto. Mejora la resistencia a la corrosión y la tenacidad a 250 [ºC]. Disminuye la conductividad eléctrica. Fragiliza el material a altas temperaturas Disminuye la conductividad eléctrica..

(32) 9 Mejora la maquinabilidad. Plomo. No influye sobre la resistencia a la corrosión del material. Disminuye la conductividad eléctrica. Empleado como desoxidante para evitar la fragilidad por. Silicio. hidrógeno del material a altas temperaturas. Reduce considerablemente la conductividad eléctrica. Desoxidante intenso para evitar la fragilidad por hidrógeno del material a altas temperaturas. Aumenta la resistencia a la tracción y el límite de fatiga sin. Fósforo. disminuir la tenacidad ni la ductilidad cuando su presencia es no mayor a 0.95%. En concentraciones de 1.2% el fósforo fragiliza el material. Disminuye la conductividad eléctrica y térmica. Aumenta la temperatura a la cual el cobre trabajado en frio,. Cadmio. empieza a recristalizar. No influye sobre las propiedades de conductividad. Aumenta la resistencia a la fluencia. Aumenta la resistencia mecánica y la resistencia a la corrosión.. Aluminio. Aumenta la resistencia al desgaste. Disminuye la ductilidad. Aumenta la resistencia a la tracción y la dureza.. Manganeso. Inhibe el crecimiento de grano. Aumenta la cantidad de hierro que se puede disolver. Disminuye la ductilidad.. Cinc. Plata. Mejora la resistencia a la tracción y la ductilidad. No influye en la resistencia a la corrosión. Aumenta la temperatura de recristalización Mejora la resistencia a la fluencia.. Hierro. Aumentan las propiedades mecánicas.. Cromo. Disminuyen la conductividad eléctrica y térmica del material.. Fuente: (Morral, Jimeno, & Molera, 2004)..

(33) 10. 1.4.. COBRE Y SUS ALEACIONES. Las aleaciones de cobre se dividen en dos grandes grupos, en las aleaciones de cobre forjadas que se presentan en la Tabla 1.3 y las aleaciones de cobre fundidas que se presentan en la Tabla 1.4. Tabla 1.3 Clasificación genérica de las aleaciones de cobre forjadas. Nombre Genérico. Numero UNS. Composición. Cobre. C10100-C15760. >99%Cu. Cobre de alta aleación. C16200-C19600. >96%Cu. Latones. C20500-C28580. Cu-Zn. Latones al Pb. C31200-C38900. Cu-Zn-Pb. Latones al Sn. C40400-C49080. Cu-Zn-Sn-Pb. Bronces al P. C50100-C52400. Cu-Sn-P. Bronces al P y Pb. C53200-C54800. Cu-Sn-Pb-P. Cu-P y Cu-Ag-P aleaciones. C55180-C55284. Cu-P-Ag. Bronces al Al. C60600-C64400. Cu-Al-Ni-Fe-Si-Sn. Bronces al Si. C64700-C66100. Cu-Si-Sn. Otras aleaciones Cu-Zn. C66400-C69900. …. Cu-Ni. C70000-C79900. Cu-Ni-Fe. Ni-Ag. C73200-C79900. Cu-Ni-Zn. Fuente: (ASM-Handbook, 1991, pág.829). Tabla 1.4 Clasificación genérica de las aleaciones de cobre fundidas. Nombre Genérico. Numero UNS. Composición. Cobre. C80100-C8100. >99%Cu. Cobre de alta aleación. C81300-C82800. >94%Cu. Latones rojos y. C83300-C85800. Cu-Zn-Sn-Pb (75-89% Cu). C85200-C85800. Cu-Zn-Sn-Pb (57-74% Cu). C86100-C86800. Cu-Zn-Mn-Fe-Pb. Latones rojos al Pb Latones amarillos y Latones amarillos al Pb Bronces al Mn y Bronces al Mn y Pb.

(34) 11 Latones al Si y. C87300-C87900. Cu-Zn-Si. C90200-C94500. Cu-Sn-Zn-Pb. Bronces al Ni-Sn. C94770-C94900. Cu-Ni-Sn-Zn-Pb. Bronces al Al. C95200-C95810. Cu-Al-Fe-Ni. Cu-Ni. C96200-C96800. Cu-Ni-Fe. Ni-Ag. C97300-97800. Cu-Pb. C98200-C98800. Cu-Pb. Otras aleaciones. C99300-C99750. …. Bronces al Si Bronces al Sn y Bronces al Sn y Pb. Cu-Ni-Zn-Pb-Sn. Fuente: (ASM-Handbook, 1991, pág.830). 1.4.1. COBRE INDUSTRIAL Los tipos de cobre más importantes a nivel industrial son tres: el cobre refinado con oxígeno, el cobre exento de oxígeno con desoxidación residual y el cobre exento de oxígeno. 1.4.1.1.. Cobre refinado con oxigeno. La pureza de cobre es de 99.9%; este material presenta una alta conductividad térmica y eléctrica y se emplea en la electrónica bajo atmósferas no reductoras. 1.4.1.2.. Cobre exento de oxígeno con desoxidación residual. Contiene al menos 99.9% de cobre y entre 0.013 a 0.05% de fosforo para el caso de aleaciones con alto contenido de fosforo residual o entre 0.004 a 0.012% de fosforo cuando se trata de aleaciones con bajo contenido de fosforo residual. Este material puede ser soldado y embutido, aunque su conductividad eléctrica es baja. 1.4.1.3.. Cobre exento de oxígeno.. Su pureza mínima de 99.95% de cobre, obtenida a partir de la fusión del cobre bajo una atmósfera que impida la presencia del oxígeno. 1.4.2. COBRE DÉBILMENTE ALEADO Este tipo de aleaciones se caracteriza por tener aleantes en cantidades inferiores al 1% (a excepción del berilio, que puede estar contenido hasta en un 2%). Estas aleaciones presentan una buena conductividad eléctrica y una buena resistencia.

(35) 12 a la corrosión, y sus propiedades mecánicas pueden ser mejoradas a través de tratamientos térmicos de endurecimiento estructural. 1.4.2.1.. Cobre – Plata. El porcentaje de plata se encuentra hasta en un 0.08%, la cual es una aleación similar a las del cobre, considerando que la adición de la plata, aumenta la temperatura de recristalización y la resistencia a la fluencia. 1.4.2.2.. Cobre – Cadmio. El porcentaje de cadmio se encuentra presente entre 0.7 a 1%, el cual aumenta la resistencia mecánica, la resistencia a la fatiga y el límite de fluencia. 1.4.2.3.. Cobre – Telurio. El porcentaje de telurio en esta aleación se encuentra entre 0.3 a 0.7%, mejorando la resistencia mecánica, la conductividad eléctrica, temperaturas de recristalización y sobre todo una maquinabilidad mejorada gracias a los compuestos de telurio insolubles. 1.4.2.4.. Cobre – Cromo y Cobre – Berilio. El porcentaje de cromo en esta aleación se encuentra entre 0.5 a 0.9%, y para el caso del berilio, su porcentaje es del 2%. Estas aleaciones pueden ser tratadas térmicamente mediante un temple y revenido, lo que permite conservar sus propiedades a altas temperaturas. 1.4.3. LATONES Contienen un porcentaje entre el 5 al 45% de cinc, y en casos particulares otros elementos en proporción más pequeñas. Los latones presentan una alta resistencia a la corrosión y una buena capacidad para ser tratados en forma superficial, permitiendo obtener piezas fabricadas con un buen acabado superficial; además pueden ser trabajados en caliente o en frío sin afectar su composición. En la Figura 1.3, se presenta el diagrama de equilibrio de latones binarios, en la que se distinguen tres soluciones solidas: α, β, y γ. 1.4.3.1.. Latón tipo α. Denominados como latones para trabajos en frio, los cuales poseen hasta 36 % de cinc, lo que mejora considerablemente su resistencia a la corrosión y maleabilidad. Su color varía dependiendo el contenido del cobre, pasando desde.

(36) 13 un color rojizo cuando se tiene un alto contenido de cobre, hasta amarillo cuando el porcentaje de cobre es del 62%. Son ampliamente utilizados en la fabricación de panales para radiadores, capsulas para fusibles, joyería de fantasía y plomería. 1.4.3.2.. Latón α + β’. Denominados como latones para trabajos en caliente, los cuales poseen de 54 a 62% de cobre. Estas aleaciones están formadas por dos fases: α y β’. La fase β’, es más dura y frágil a temperatura ambiente que la fase α, por lo que la mayoría de estas aleaciones tienen excelentes propiedades al ser trabajadas en caliente. Son de gran aplicación en la fabricación de engranes y piezas de maquinaria automática como tornillos sin fin.. Figura 1.3 Diagrama de equilibrio Cu-Zn. Fuente: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAesNMAK/zinco. 1.4.4. BRONCES Este tipo de aleaciones se obtienen por fundición y contiene hasta como máximo un 20% de estaño, salvo en los bronces para fabricación de campanas que poseen hasta un 25% de estaño. Existen dos tipos importantes de bronces cuya fabricación depende de las condiciones de enfriamiento, que son el bronce α y los bronces α+β. El diagrama de equilibrio de esta aleación se muestra en la Figura 1.4..

(37) 14 Los bronces pueden contener adiciones de otros elementos que mejoran considerablemente las propiedades. Entre los principales bronces con un elemento aleante adicional se tiene: ·. Bronce al fósforo.. ·. Bronce al plomo.. ·. Bronce al cinc.. ·. Bronce al estaño. ·. Bronce al aluminio. ·. Bronce al berilio.. Figura 1.4 Diagrama de equilibrio Cu-Sn. Fuente: (ASM-HANDBOOK, Alloy phase diagrams, 1994). 1.4.5. CUPRO – ALUMINIOS Este tipo de aleaciones contienen entre 4 hasta 14% de aluminio, y se caracterizan por su elevada resistencia a la corrosión en ambientes marinos, corrosión bajo tensión y a la fatiga, y pos sus elevadas características mecánicas. Su diagrama de equilibrio se muestra en la Figura 1.5. Los cupro – aluminios pueden tener también la adición de otros aleantes, como el hierro y el manganeso, que mejora la resistencia de la fase α, y el níquel que mejora la resistencia a la corrosión..

(38) 15. Figura 1.5 Diagrama de equilibrio Cu-Al. Fuente: (Barralis & Maerder, 1997). 1.4.6. CUPRONÍQUEL El porcentaje de níquel en estas aleaciones va desde el 5 al 45%, ya que el cobre y el níquel son solubles en todas las proporciones. Las propiedades de estas aleaciones residen en su buena resistencia a la corrosión en ambientes salinos.. 1.5.. ALEACIÓN C12200. Se analiza específicamente esta aleación, ya que el Ecuador, no es un productor de cobre y la mayoría de proveedores en el país, importan únicamente la aleación de cobre C12200 de México y Chile, debido a la variedad de aplicaciones que esta presenta. Esta aleación pertenece al grupo de cobre exento de oxígeno con desoxidación residual, debido a que en su composición química está presente fósforo, el cual actúa como un agente desoxidante, evitando que se produzca fragilización por hidrógeno en el material. Las principales características de esta aleación se resumen en la Tabla 1.5..

(39) 16 Tabla 1.5 Propiedades de la aleación C12200. Fuente: (ASM-HANDBOOK, Properties and selection: nonferrous alloys and special-purpose materials, 1992) La variación entre las propiedades mecánicas así como el porcentaje de elongación, se debe a la naturaleza de la fabricación de la aleación, ya que se tendrá características diferentes si la aleación fue trabajada en caliente o en frio. El proceso de obtención de esta aleación se da por lixiviación, que consiste en un proceso por el cual un disolvente líquido pasa a través de un sólido pulverizado, que en este caso corresponde a los minerales que contienen porciones de cobre, para que se produzca la disolución de uno o más de los componentes solubles del sólido. Obtenidos los lingotes, tochos o placas con el metal puro, por diferentes métodos de fabricación, se elaboran los productos finales. Los lingotes se destinan a la laminación y trefilación para la fabricación de alambres y varillas, las placas se destinan a la laminación de chapas o bandas y finalmente los tochos se destinan al punzonado y a la extrusión seguida por laminación y estirado, para la fabricación de tuberías. Esta aleación es empleada en la fabricación de tubos para transporte de agua, tubos de condensadores, evaporadores e intercambiadores de calor; líneas de gas, sistemas de calefacción, refrigeración, sistemas de aire acondicionado, líneas de vapor, tubos para quemadores de aceite y combustibles..

(40) 17. 1.6.. PROCESO DE FABRICACIÓN DE TUBERIAS DE COBRE ALEACIÓN C12200. La fabricación de tuberías de cobre se lleva a cabo por la ejecución de una serie de procesos, que conforman un ciclo de producción como se observa en la Figura 1.6.. Figura 1.6 Proceso de fabricación de tuberías de cobre. Fuente: (International Copper Association, 2000). 1.6.1. FUNDICIÓN El ciclo de producción de las tuberías de cobre sin costura, comienza a partir de su materia prima, la cual se trata de cátodos de cobre cuya pureza de composición es auditada. Se emplea también chatarra susceptible de ser reciclada, que procede en su mayor parte del propio proceso de fabricación de la aleación cupro-fósforo, que es una aleación cuya finalidad es desoxidar el cobre, mejorando así sus cualidades mecánicas de cara a su posterior deformación en frio. Todos estos elementos se funden en un horno entre 1100ºC y 1150ºC, ya sea de gas o eléctrico, para lograr una mezcla homogénea. La temperatura durante este proceso debe permanecer invariante..