Control de parámetros del proceso Gmaw Mig en soldaduras del acero A 36 para optimizar la recuperación de piezas

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(1)UNIVERSIDAD NACIONAL DE SAN AGUSTIN ESCUELA DE POSTGRADO UNIDAD DE POSTGRADO DE LA FACULTAD DE INGENIERIA DE PROCESOS. CONTROL DE PARAMETROS DEL PROCESO GMAW- MIG EN SOLDADURAS DEL ACERO A-36 PARA OPTIMIZAR LA RECUPERACIÓN DE PIEZAS.. Tesis presentada por: Bach. ELIAS DAVID, ESQUICHA LARICO para optar el Grado de Magister en: Ciencia de los Materiales. Asesor: Dr. Edgar Veliz Llayqui. AREQUIPA - PERU 2017.

(2) AGRADECIMIENTOS. A Dios, por darme la vida, por esta oportunidad que me fue concedida y por darme la fortaleza y perseverancia en los momentos más difíciles. A mí querida compañera y esposa, Por el apoyo a salir de las dificultades y darme esa alegría en estas conmemoraciones, supo tomar decisiones en la concretización de muchos resultados exitosos. A mis hijos, que son objetivos de mi vida que son estímulos para seguir adelante. En memoria a mi madre y mis padres políticos, quienes me acompañaron en la trayectoria de mi vida personal y profesional. A mi hermano mayor y a todos mis familiares que me han servido de estímulo en cada momento. A todos mis colegas, que forman parte de la familia Metalúrgica que me permiten ser emprendedor. A todos mis amigos y profesionales que colaboraron directa o indirectamente, con alguna sugerencia, referencia bibliográfica, acceso a información, etc. En especial a Ernesto y al recordado Marco, que me permitieron cumplir con las experimentaciones, de este trabajo..

(3) CONTROL DE PARAMETROS DEL PROCESO GMAW- MIG EN SOLDADURAS DEL ACERO A-36 PARA OPTIMIZAR LA RECUPERACIÓN DE PIEZAS.. RESUMEN Durante el desarrollo de experiencias en procesos de soldeo, la elaboración y recuperación de piezas de acero ASTM-A-36, presenta dificultades y pérdida de tiempo en el calibrado de máquinas cuyo resultado origina una soldadura costosa y no óptima. La presente investigación aplicará el Software Centurión Statgraphics y un Planeamiento de Diseño Hexagonal para analizar la incidencia y efecto de los siguientes parámetros: voltaje y velocidad de soldeo que determina la forma del cordón y su dureza de soldadura que son inherentes en el proceso GMAW-MIG, porque es crucial el control de cada uno de ellos para optimizar el resultado de la soldadura en la elaboración ó recuperación de las piezas de acero A-36. La finalidad del presente estudio es contribuir con modelos estadísticos específicos, para sus diferentes aplicaciones del cordón de soldadura como es la penetración, recargue, ancho de cordón y dureza. Palabras Claves: Incidencia de parámetros, forma de cordón, optimizar soldadura.. GMAW-MIG WELDING PROCESS PARAMETERS CONTROL TO IMPROVE ASTM A36 STEEL RECOVERY EQUIPEMENT PARTS ABSTRACT Through experience development in welding processes, the process of ASTM A36 manufacturing and recovery equipment parts presents difficulties and time wasted in machines calibration, which results in expensive and non-optimal welding. The present research will apply the Statgraphics Centurion Software Program and Hexagonal Design Planning in order to analyze the incidence and effect of the following parameters: voltage and welding speed that determine the shape of the bead and welding hardness that are inherent in the GMAW-MIG process, therefore the control of each of them is crucial to optimize the result of the welding in the manufacturing or ASTM A36 recovery equipment parts. The purpose of the present study is to contribute with specific statistical models through different applications of the weld bead, such as: penetration, recharge, bead width and hardness. Keywords: Incidence of parameters, cord shape, optimize welding.

(4) INDICE GENERAL. RESUMEN INDICE INDICE DE CUADROS INDICE DE FIGURAS ACRONIMOS. CAPITULO I INTRODUCCIÓN. 1.1. DEFINICION DEL PROBLEMA........................................................................ 2 1.2. JUSTIFICACION ............................................................................................. 3 1.3. DELIMITACION DE FRONTERAS .................................................................. 3 1.4. OBJETIVOS .................................................................................................... 5 1.4.1. Objetivo General .................................................................................. 5 1.4.2. Objetivos Específicos .......................................................................... 5 1.5. HIPOTESIS ..................................................................................................... 6 1.6. VARIABLES .................................................................................................... 6 1.6.1. Variables Independientes: .................................................................... 6 1.6.2. Variables Dependientes: ....................................................................... 6. CAPITULO II MARCO TEORICO. 2.1. PROCESO GMAW: MIG-MAG ........................................................................ 7 2.2. EQUIPO GMAW ............................................................................................ 10 2.2.1. Fuente de Poder ................................................................................ 10 2.2.2. Variables del Proceso ......................................................................... 11 2.3. TEORÍAS: TRANSFERENCIA DEL METAL DE SOLDADURA MIG/MAG .... 23 2.3.1. Transferencia del Metal de Aporte ...................................................... 24 2.4- DISCONTINUIDADES. ................................................................................ 29 2.4.1. Clasificación de las discontinuidades ................................................. 29.

(5) 2.5. SOLDABILIDAD ............................................................................................ 32 2.6. DILUCIÓN ..................................................................................................... 32 2.7. METALURGIA DE LA SOLDADURA ............................................................ 33 2.7.1. Regiones de una Soldadura ............................................................... 33 2.7.2. Calor en los Procesos de Soldadura por Arco ................................... 34 2.7.3. Ciclo Térmico ...................................................................................... 37 2.7.4. Modos de Enfriamiento ...................................................................... 38 2.8. DELINEAMIENTO DEL EXPERIMENTO ...................................................... 40 2.8.1. Estimación del Error Experimental ..................................................... 41 2.8.2. Pruebas de Significancia de los Efectos ............................................ 41 2.8.3. Metodología de la Superficie de Respuesta ....................................... 42 2.8.4. Optimización de las Respuestas ........................................................ 44 2.9. REFERENCIAS FINALES ............................................................................. 45. CAPITULO III METODOLOGIA EXPERIMENTAL. 3.1. IMPLEMENTACIÓN DEL EQUIPO DE EXPERIMENTACIÓN....................... 47 3.2. ANÁLISIS DE LA INCIDENCIA DE LOS PARÁMETROS EN LA SOLDADURA ............................................................................................... 52 3.2.1. Los parámetros y las respuestas ....................................................... 52 3.2.2. Planeamiento para la Ejecución Experimental ................................... 53 3.2.3. Preparación de las probetas .............................................................. 54 3.2.4. Determinación analítica de las respuestas ........................................ 55 3.3. DISEÑO HEXAGONAL .................................................................................. 56 3.4. OPTIMIZACIÓN Y MODELAMIENTO DEL PROCESO ................................ 57. CAPITULO IV RESULTADOS Y DISCUSIÓN. 4.1. MODELAMIENTO Y OPTIMIZACIÓN ............................................................ 58 4.2. EVALUACIÓN PARA LA RESPUESTA: PENETRACIÓN ............................. 59 4.2.1. Efectos de los parámetros en la penetración ..................................... 60.

(6) 4.2.2. Grafica de Superficie en la Penetración ............................................. 61 4.2.3. Grafica de Contorno para la Penetración ........................................... 62 4.2.4. Respuesta Meta: Maximizar Penetración .......................................... 62 4.3. EVALUACIÓN PARA LA RESPUESTA ALTURA DE CORDÓN .................. 63 4.3.1. Efectos de los parámetros en la Altura de Cordón ............................. 64 4.3.2. Grafica de Superficie en la Altura de Cordón...................................... 64 4.3.3. Grafica de Contorno para la Altura de Cordón.................................... 65 4.3.4. Respuesta Meta: Maximizar Altura de Cordón ................................... 65 4.4. EVALUACIÓN PARA LA RESPUESTA ANCHO DE CORDÓN .................... 66 4.4.1. Efectos de los parámetros en la Ancho de Cordón............................. 67 4.4.2. Grafica de Superficie en la Ancho de Cordón ..................................... 67 4.4.3. Grafica de Contorno para la Ancho de Cordón ................................... 68 4.4.4. Respuesta Meta: Maximizar Ancho de Cordón................................... 68 4.5. EVALUACIÓN PARA LA RESPUESTA EN LA DUREZA DEL CORDÓN ..... 69 4.5.1. Efectos de los parámetros en la Dureza ............................................. 70 4.5.2. Grafica de Superficie para la Dureza de Cordón ................................ 70 4.5.3. Grafica de Contorno para la Dureza de Cordón ................................. 71 4.5.4. Respuesta Meta: Mantener Dureza de Cordón .................................. 71 CONCLUSIONES ................................................................................................. 73 BIBLIOGRAFIA ..................................................................................................... 74 ANEXOS ............................................................................................................... 78.

(7) INDICE DE CUADROS Cuadro 2.1. Valores Comparativos de las Densidades de Corriente ..................... 9 Cuadro 2.2. Valores de los Coeficientes α y β de la Ecuación de la Velocidad de Fusión para Aceros al Carbono ......................................................... 17 Cuadro 2.3. Rango de Corriente para Diferentes Diámetros de Alambre en Aceros al Carbono ........................................................................................ 21 Cuadro 2.4. Parámetros Eléctricos de la Soldadura en sus Tipos de Transferencia ................................................................................... 28 Cuadro 2.5. Falta de Fusión y Penetración en la Soldadura ................................ 30 Cuadro 2.6. Penetración Excesiva de los Cordones de Soldadura ...................... 31 Cuadro 2.7. Presencia de Porosidades en la Soldadura ...................................... 31 Cuadro 2.8. Descripción de las funciones para modelos primero y segundo orden ................................................................................................ 43 Cuadro 3.1. Composición Química del Metal Base ............................................... 51 Cuadro 3.2. Rangos de la Composición Química del Material de aporte ............. 52 Cuadro 3.3. Rangos Mínimos de sus Propiedades Mecánicas del Material de Aporte .............................................................................................. 52 Cuadro 3.4. Rangos de los parámetros operacionales para las pruebas ............. 53 Cuadro 3.5. Planeamiento Factorial Fraccionario ................................................ 54 Cuadro 4.1. Variables del diseño Hexagonal ........................................................ 58 Cuadro 4.2. Diseño hexagonal 22 ......................................................................... 59 Cuadro 4.3. Análisis de la varianza para Penetración .......................................... 59 Cuadro 4.4. Coeficientes de regresión para la Penetración ................................. 60 Cuadro 4.5. Parámetros óptimos para la Penetración ......................................... 62 Cuadro 4.6. Análisis de la varianza para la altura del cordón .............................. 63 Cuadro 4.7. Coeficientes de regresión para el recargue ....................................... 63 Cuadro 4.8. Parámetros óptimos para la altura del cordón ................................... 65 Cuadro 4.9. Análisis de la varianza para el ancho del cordón .............................. 66 Cuadro 4.10. Coeficientes de regresión para el ancho del cordón........................ 66 Cuadro 4.11. Parámetros óptimos para el ancho del cordón ................................ 68 Cuadro 4.12. Análisis de la varianza para la dureza del cordón .......................... 69 Cuadro 4.13. Coeficientes de regresión para la dureza mínima ........................... 69 Cuadro 4.14. Parámetros óptimos para la altura del cordón ................................. 71.

(8) INDICE DE FIGURAS. Figura 2.1. Partes del Proceso GMAW (MIG-MAG) ................................................ 8 Figura 2.2. Pistola del proceso de soldadura MIG-MAG en ejecución .................... 8 Figura 2.3. Clasificación de los gases ..................................................................... 9 Figura 2.4. Influencia de la tensión de arco en la formación de los cordones depositados ........................................................................................ 11 Figura 2.5. Proceso GMAW es de voltaje constante ............................................. 11 Figura 2.6. Áreas de transferencia metálica en el proceso GMAW en la relación vs amperaje ............................................................................................. 12 Figura 2.7. Variaciones del cordón de soldadura por el aumento de voltaje ......... 12 Figura 2.8. Stick out (extensión de electrodo) ...................................................... 14 Figura 2.9. Variación del cordón por aumento de la extensión de electrodo ........ 14 Figura 2.10. Velocidad de alimentación de alambre versus corriente de soldadura para aceros al carbono .................................................................... 16 Figura 2.11. Curvas de velocidad de fusión para alambre de 0,8 mm .................. 17 Figura 2.12. Curvas de velocidad de fusión para alambres de 1,2 mm ................ 18 Figura 2.13. Aumento de alimentación de alambre: incrementa la forma de cordón ............................................................................................... 18 Figura 2.14. Al aumentar la velocidad de avance disminuye el ancho, penetración, tamaño de cordón ............................................................................ 19 Figura 2.15. Efecto de la inductancia corriente vs tiempo .................................... 20 Figura 2.16. La acción de los gases de protección ............................................... 22 Figura 2.17. Formas del cordón según el gas aplicado ......................................... 23 Figura 2.18. Acción de las fuerzas en la transferencia de metal ........................... 24 Figura 2.19. Modos de transferencia en el proceso GMAW ................................. 25 Figura 2.20. Secuencia de la transferencia por corto circuito ............................... 26 Figura 2.21. Secuencia de una transferencia globular .......................................... 27 Figura 2.22. Transferencia Spray y transferencia Globular ................................... 28 Figura 2.23. Regiones de un cordón de soldadura ............................................... 23 Figura 2.24. Muestra las regiones de una soldadura por fusión............................ 34 Figura 2.25. Esquema que nos muestra las diferentes alteraciones de un acero bajo carbono ..................................................................................... 35.

(9) Figura 2.26. Representación esquemática de las zonas de una soldadura y el diagrama de fases............................................................................. 35 Figura 2.27. Soldadura realizada en una superficie metálica ................................ 37 Figura 2.28. Representación de disipación de calor ............................................. 38 Figura 2.29. Ciclos térmicos para diferentes espesores su difusión ..................... 39 Figura 3.1. Maquina Hobart GMAW (MIG-MAG) Modelo RC-300......................... 47 Figura 3.2. Cabezal de alimentación y de avance del equipo multiprocesos Miller SAW. Implementación de la pistola GMAW .............................. 48 Figura 3.3. Galgas para metrología ....................................................................... 49 Figura 3.4. Aplicación del durómetro en las zonas de la soldadura ..................... 49 Figura 3.5. Medidas de probeta de acero A-36 ..................................................... 51 Figura 3.6. Grupo de probetas cortadas para el análisis de las respuestas .......... 55 Figura 3.7. Modelo y probeta de probetas su metrología ...................................... 55 Figura 3.8. Toma de durezas en la probeta uno ................................................... 56 Figura 4.1. Efectos de la velocidad de soldeo y voltaje, para la penetración ........ 61 Figura 4.2. Superficie estimada para la penetración ............................................. 61 Figura 4.3. Contorno de la superficie de respuesta de la penetración .................. 62 Figura 4.4. Efectos para la altura del cordón vs velocidad de soldeo y voltaje ..... 64 Figura 4.5. Superficie de respuesta estimada para la altura del cordón ............... 64 Figura 4.6. Contorno de la superficie de respuesta de la penetración .................. 65 Figura 4.7. Efecto de los parámetros en el ancho de cordón ................................ 67 Figura 4.8. Superficie de respuesta estimada para el ancho del cordón ............... 67 Figura 4.9. Contorno de la superficie de respuesta del ancho del cordón ........... 68 Figura 4.10. Efectos de la dureza mínima Vs velocidad de soldeo y voltaje ........ 70 Figura 4.11. Superficie de respuesta estimada para la dureza ............................ 70 Figura 4.12. Contorno de la superficie de respuesta de la dureza ....................... 71.

(10) ACRONIMOS. ASTM: (American Society for Testing and Materials) ............................................... GMAW: (Gas Metal Arc Welding) .......................................................................... MIG: Metal Inert Gas ................................................................................................ MAG: Metal Active Gas ........................................................................................... SMAW: Shielded Metal Arc Welding ........................................................................ GTAW: Gas Tugsten Arc Welding ........................................................................... TIG: Tungsten Inert Gas .......................................................................................... SAW: Submerged Arc Welding ................................................................................ FCAW: Flux Cored Arc Welding .............................................................................. AWS: American Welding Society ............................................................................. MB: Metal Base ........................................................................................................ ZF: Zona Fundida ..................................................................................................... ZAC: Zona Afectada por el Calor .............................................................................. Tp: Temperatura pico ............................................................................................... Tf: Temperatura de Fusión ....................................................................................... Tc: Temperatura de la Chapa ................................................................................... RC: Corriente Rectificada ......................................................................................... ...................................................................................................................................

(11) CAPITULO I. INTRODUCCION En el sector minero e industrial, se requiere la implementación de nuevas tecnologías que permitan mejorar la productividad, a través de la reducción de costos en la producción y de esta forma tener la capacidad de atender la demanda del mercado. Con la implementación de estas nuevas tecnologías se necesita garantizar la calidad e integridad funcional de los productos fabricados o reconstruidos por soldadura, por todo esto se requiere una buena selección y regulación de sus parámetros de fabricación.. Actualmente el sector minero está incorporando nuevos materiales y equipos que deben resistir al desgaste; de ahí la necesidad de mejorar los procedimientos bajo los estándares internacionales que se deben utilizar en los diversos procesos de soldadura, haciendo que estos eleven la productividad y sean competitivos, naturalmente esto ha permitido desarrollar investigaciones que innoven la aplicación de las nuevas tecnológicas, los cuales repercuten en el mejoramiento de sus propiedades y su mayor productividad, especialmente de aquellos productos que hayan sido reconstruidos por soldadura.. Una garantía de buenas producciones de calidad, se debe a un buen dominio de los procesos de fabricación, evitando defectos intermedios que desmejoran la productividad, al realizar reciclado de los trabajos, generando la elevación de los costos. Todo esto nos permite realizar un estudio de acercamiento estadístico utilizando los diferentes parámetros en soldadura, el cual permita. 1.

(12) controlar y aplicar en forma adecuada las variables del proceso de soldadura, con ello poder eliminar en forma anticipada problemas técnicos que puedan encontrarse durante la aplicación de un proceso de soldadura.. Actualmente en los diversos proyectos constructivos y de reparación, a pesar de tener todo un procedimiento definido y de disponer de la experiencia de soldadores. calificados,. encontramos. no. conformidades. de. formas. y. dimensionales que deben ser corregidas durante el proceso productivo y evitar de esta manera la elevación de sus costos.. Todo esto nos permite ver, que en la aplicación de los procesos de soldadura existen problemas en el control de parámetros que tienen su incidencia en las discontinuidades (distorsiones, fisuras, socavaduras, etc.) de los procesos de soldadura empleados, los cuales originan disminuciones en el rendimiento de las producciones.. 1.1. DEFINICION DEL PROBLEMA. Los diferentes procesos de soldadura al estar en plena aplicación en labores de alta productividad, nos presenta nuevas experiencias, así encontramos que debido al cambio brusco de temperaturas, como son los enfriamientos vertiginosos producen tensiones térmicas y esto originar variaciones dimensionales, siendo necesario el alivio de estas tensiones, y poder garantizar las tolerancias dimensionales que se exigen en un montaje, no dejando de lado la reducción de sus propiedades mecánicas, con relación al metal base; para esto se requiere precisar mejor los procedimientos de soldadura.. Para cumplir con eficacia los procedimientos, se vienen realizando investigaciones con el uso de la robótica, prototipos mecanizados y el uso de simuladores que permiten lograr el cumplimiento preciso de los respectivos procedimientos, todo esto a través de acercamientos que se realizan en sus variables a través de medios estadísticos y diseños. 2.

(13) experimentales se obtengan modelos matemáticos optimizados en los procesos de fabricación y/o reparación por soldadura.. 1.2. JUSTIFICACION. La aplicación de procedimientos adecuados, sustentados por un buen control de parámetros en los procesos de fabricación por soldadura, es una buena alternativa que permite:. a) Un mejor acercamiento a procedimientos precisos y de calidad, mediante el análisis estadístico de los parámetros en el proceso de fabricación por soldadura. b) Se evitará reciclados de los trabajos, que elevan los costos de fabricación se garantice las tolerancias dimensionales y se eleve la productividad. c) Conseguir. modelos. matemáticos. optimizados,. debido. a. los. acercamientos en las variables utilizadas, para los diversos espesores de material recargado.. 1.3. DELIMITACION DE FRONTERAS. Esta investigación nos permite estudiar el control de los parámetros del proceso GMAW, para su optimización, el cual incide en las medidas geométricas del metal depositado (cordones), así como su repercusión en las transformaciones micro-estructurales que se dan, debido a la transferencia de calor que tiene su efecto en la calidad del producto.. Los ensayes serán desarrollados en los Laboratorios de soldadura, Metalografía y Ensayos No Destructivos con probetas en aceros A-36 de Aceros Arequipa.. Los equipos actuales en el mercado vienen siendo utilizados con gran frecuencia son los procesos por arco eléctrico de uso manual, como son el. 3.

(14) SMAW, GTAW, GMAW y SAW; las dos primeras son los más difundidos, para la ejecución del pase de raíz; pero el proceso GMAW permite mayor productividad por su operación semi-automática y que puede fácilmente incorporarse a los procesos automáticos, por que realizan elevada tasa de deposición con una buena calidad de soldadura, lo importante es el control de las variables (corriente, tensión y velocidad de soldadura) que puede fácilmente aumentar su versatilidad en aplicaciones diversas es lo que nos indica Euclides Goncalves Martins Filho en su tesis “Estudo da influência relativa das variáveis do processo de soldagem MIG-MAG (GMAW) no passe de raiz” Belo Horizonte Novembro de 2,012. Centro Federal De Educação Tecnológica De Minas Gerais BARBEDO, N. D. “Avaliação comparativa dos processos de soldagem GMAW e FCAW utilizando aço ASTM A-36 para verificar a soldabilidade, propriedades metalúrgicas e geométricas, e resistência mecánica”. 2011, 56 p. Dissertação (Mestrado em Projeto e Fabricação) Instituto de Engenharia Mecânica, Universidade Federal de Itajubá. Aquí trata de buscar la mayor productividad de estos dos procesos de soldadura, donde evalúa la influencia de los parámetros haciendo uso de una herramienta estadística para su diseño experimental. HÉLIO COELHO GUIMARÃES SOARES en su tesis: “Estudo de seqüências de soldagem para redução e eliminação de distorções” en la disertación presentada al Programa de Pos-Graduación en Ingeniería Mecánica de la Universidad Federal de Minas Gerais, en la obtención de su Maestría, nos da a conocer la necesidad de los procedimientos en los procesos de soldadura, el cual generará un mejor control de las distorsiones aumentando su productividad al reducir costos, además de garantizar las tolerancias dimensionales, del producto fabricado. HAMILTON SOARES MOREIRA, CON LA TESIS: “Estudo da influencia dos parámetros de soldagem mig e da morfologia do cordón no comportamento a fadiga de juntas soldadas de um eixo traseiro. 4.

(15) veicular”. Disertación presentada a Escola Politécnica de la Universidad de Sao Paulo - 2008 en la obtención de su maestría.. 1.4. OBJETIVOS. 1.4.1. Objetivo General. Lograr modelos matemáticos al realizar los mejores acercamientos en los parámetros de soldeo con el proceso GMAW, los cuales repercutirán en sus resultados como mejorar la calidad y la productividad de los productos soldados en aceros A-36.. 1.4.2. Objetivos Específicos. a. Obtener un producto final óptimo a través del proceso de soldadura GMAW tanto en la fabricación de un producto y/o su reparación (recargue), determinando sus medidas geométricas optimas del cordón de soldadura, mejorando por lo tanto su productividad.. b. Controlar los parámetros que se utilizan en el proceso de soldadura, por medio del software CENTURION STATGRAPHICS y el Diseño Hexagonal, disminuyendo las discontinuidades en los productos soldados, aumentando la confiabilidad y calidad, se plantea para el uso en procesos semiautomáticos y mecanizados.. c. Conseguir y obtener modelos matemáticos optimizados para cordones de soldadura de buena: penetración, altura, ancho del cordón y. dureza del metal apropiadas, tanto. en la zona de. Fusión, y la zona afectada por el calor.. 5.

(16) 1.5. HIPOTESIS. Es posible el control de los parámetros del proceso de soldadura GMAW, el cual permitirá una mejor productividad y calidad en los productos terminados.. 1.6. VARIABLES. 1.6.1. Variables Independientes: . Voltaje vs Velocidad de alimentación de alambre (amperaje). . Velocidad de soldeo. 1.6.2. Variables Dependientes: . Penetración,. . Altura del cordón,. . Ancho del cordón,. . La dureza del metal en la zona de Fusión, y la zona afectada por el calor.. 6.

(17) CAPITULO II. MARCO TEORICO 2.1. PROCESO GMAW: MIG-MAG. El proceso de soldadura al arco con protección gaseosa (GMAW) donde están presentes los procesos metal inerte gas (MIG) y el metal activo gas (MAG), es un proceso de soldadura que permite la unión de metales, por acción de un arco que produce el calentamiento entre un electrodo metálico sólido de alimentación continua (consumible) y la pieza a soldar (metal base) dicha acción se realiza con la presencia de un gas de protección como se presenta en las Fig. Nº 2.1, 2.2, 2.3.. Se denomina MIG, cuando la protección gaseosa es un gas inerte ya sea el Argón o el Helio; y como MAG cuando usa gases activos como es el CO 2 y sus mezclas. La diferencia de estos dos procesos es el gas que utilizan, el resto de los componentes del equipo son iguales. Estos procesos son altamente productivos debido a su alimentación continua del material de aporte y por el uso de elevadas densidades de corriente.. 7.

(18) G A S SOLDADORA. Figura Nº 2.1. Partes del Proceso GMAW (MIG-MAG). Figura Nº 2.2. Pistola del proceso de soldadura MIG-MAG en ejecución. 8.

(19) Figura Nº 2.3. Clasificación de los Gases usados en soldadura. Cuadro Nº 2.1. Valores Comparativos de las Densidades de Corriente. Proceso. Densidad de Corriente. Electrodo Revestido SMAW. 5 a 20 A/mm2. MIG MAG. 100 a 200 A/mm2 Fuente: GIMENES, 2005. Las principales ventajas del MIG/MAG son: . Taza de deposición elevada por lo tanto alta productividad;. . Es versátil, en su aplicación a una variedad de espesores;. . Ausencia de escorias;. . Automatizable, necesita menor destreza del soldador;. . Producción de soldaduras de bajo costo;. . Se realiza soldaduras en toda posición;. . Reducción de tiempos muertos hasta un 50% comparado con el proceso SMAW;. . Soldaduras de buen acabado; 9.

(20) . En el proceso de soldeo genera, muy poca cantidad de humos;. . Inexistencia de colillas como en el caso del electrodo revestido;. . Se obtienen soldaduras de relativa calidad.. Limitaciones del Proceso MIG/MAG: . La puesta a punto en sus parámetros, requiere de buena capacitación;. . Equipo de mayor costo por lo tanto mayor cuidado en el mantenimiento;. . No se debe aplicar soldaduras, ante la presencia de corriente de aire;. . Es limitado por la existencia de menor cantidad de consumibles;. . Es frecuente obtener porosidades en el cordón de soldadura.. 2.2. EQUIPO GMAW. 2.2.1. Fuente de Poder. Es el centro de la alimentación de energía eléctrica para el proceso; sus requisitos son: . Producir salidas de baja tensión y alto amperaje adecuados para el proceso. . Disponer de regulaciones adecuadas de tensión y de corriente para trabajos específicos;. . Flexibilidad en el control de variaciones de corriente y/o tensión al aplicarse la soldadura;. . Cumplan con las normas y códigos de funcionamiento y seguridad;. . Contar con instalaciones y operaciones simples, seguras y que sean durables en el trabajo.. 10.

(21) 2.2.2. Variables del Proceso (parámetros de control de la Soldadura). Como apreciamos el proceso GMAW consta de una fuente de poder de voltaje constante, un sistema de alimentación de alambre, la antorcha o pistola y el suministro de gas de protección dentro de más esencial. Sus variables principales están relacionadas en forma directa a todo el conjunto del equipo, así tenemos: . Voltaje, Se suministra en forma constante por la fuente de poder durante al proceso de soldadura; el voltaje influye en el ancho del cordón; o sea, se tendrá un cordón más ancho cuando se incrementa el voltaje.. Figura Nº 2.4. Influencia de la tensión de arco en la formación de los cordones depositados.. Figura Nº 2.5. Proceso GMAW es de Voltaje constante. 11.

(22) Este tipo de máquinas (voltaje constante) permiten una auto-regulación de su longitud de arco en forma automática, todo esto por medio de la velocidad de alimentación de alambre (amperaje).. La transferencia de metal queda definida por la tensión de soldadura (longitud de arco); así para la transferencia por corto circuito requiere tensiones relativamente bajas, para la transferencia globular sus tensiones mayores y la de rocío (spray o aerosol) requiere de más voltaje, además requiere de un incremento de amperaje utilizándose para esta transferencia un gas inerte o mezclas de gases. La figura nos muestra una relación entre voltaje y corriente de soldadura.. Figura Nº 2.6. Áreas de transferencia metálica en el proceso GMAW en la relación voltaje vs amperaje. Figura Nº 2.7. Variaciones del cordón de soldadura por el aumento de voltaje. 12.

(23) A: Ancho del cordón, aumenta. P: Penetración, disminuye. S: Sobre-espesor (o sobre-monta), disminuye. T: Tamaño del cordón (dado por la cantidad de metal aportado), se mantiene. . STICK OUT (EXTENSIÓN DE ELECTRODO). Es la distancia entre el borde del tubo de contacto y la punta del electrodo. Su importancia está en que al variar su longitud varía tanto su voltaje y su amperaje, y es así que su incremento en extensión hace aumentar su resistencia eléctrica, (calentamiento) lográndose un incremento en la velocidad de fusión.. La resistencia eléctrica determina una caída de voltaje desde la tobera a la pieza de trabajo; todo esto sensibiliza a la fuente de poder el cual compensa con una disminución de corriente; por lo tanto, se reduce la velocidad de fusión, lo que nos genera un acortamiento de la longitud de arco.. Los rangos de extensión de electrodo están entre 6.4 mm a 12.7 mm (¼” a ½”) para la transferencia corto circuito y de 12.7 mm a 25.4 mm (½” a 1”) para las otras transferencias.. 13.

(24) Figura Nº 2.8. Stick out (extensión de electrodo). Figura Nº 2.9. Variación del cordón por aumento de la extensión de electrodo. A: Ancho del cordón, aumenta. P: Penetración, disminuye. S: Sobre-espesor (o sobre-monta), aumenta. T: Tamaño del cordón (dado por la cantidad de metal aportado), aumenta.. 14.

(25) . VELOCIDAD DE ALIMENTACIÓN DE ALAMBRE O AMPERAJE, este parámetro tiene influencia en la penetración y altura del cordón de soldadura.. Al mantenerse constantes las otras variables vistas, el amperaje de soldadura varía en forma no lineal con la velocidad de alimentación del alambre o velocidad de fusión, como podemos ver en la siguiente figura, a mayores valores de corriente requiere mayores diámetros del electrodo.. Con un incremento de la corriente y al mantener las otras variables constantes genera: . Un incremento de la profundidad y ancho del cordón de soldadura.. . Aumenta la velocidad del depósito.. . Las medidas del cordón de soldadura se incrementan.. La velocidad de fusión del alambre controla la cantidad de metal depositado en una soldadura por unidad de tiempo (tasa de deposición), influenciando directamente al costo y la productividad de la soldadura. Allum C.J., 1984. 15.

(26) Figura Nº 2.10. Velocidad de alimentación de alambre versus corriente de soldadura para aceros al carbono.. En la soldadura de arco por fusión el alambre depende principalmente de su calentamiento, debido al efecto Joule a lo largo de todo el electrodo libre. Considerando estos dos efectos se puede mostrar que la velocidad de fusión del alambre puede ser representada en el proceso MIG/MAG por la ecuación: 𝒘 = 𝜶𝑰 + 𝜷𝒔𝑰𝟐 Donde:. w: es la velocidad de fusión α y β: valores obtenidos experimentalmente para aceros al carbono está ligado al calentamiento del electrodo (efecto joule) s: es la longitud libre del electrodo. I: es la corriente (amperios). 16.

(27) Cuadro Nº 2.2. Valores de los Coeficientes α y β de la Ecuación de la Velocidad de Fusión para Aceros al Carbono. Diámetro (mm). α (mm/sA). β (mm/sA2). 0.8. 0,70. 26,3 x 10-5. 1.0. 0,47. 9,1 x 10-5. 1.2. 0,27. 5,9 x 10-5. 1.6. 0,18. 1,2 x 10-5. La figura siguiente muestra las curvas típicas de velocidades de fusión (w) para el proceso MIG/MAG con diferentes materiales y diámetros de alambre.. Figura Nº 2.11. Curvas de velocidad de fusión para alambre de 0.8 mm (Cary 1994). 17.

(28) Figura Nº 2.12. Curvas de velocidad de fusión para alambres de 1.2 mm (Cary 1994). Figura Nº 2.13. Aumento de alimentación de alambre: Incrementa la forma del cordón. A: Ancho del cordón. P: Penetración. S: Sobre-espesor (o sobre-monta). T: Tamaño del cordón (dado por la cantidad de metal aportado).. 18.

(29) . VELOCIDAD DE AVANCE DE LA SOLDADURA, corresponde a la velocidad lineal o longitudinal donde el arco se mueve realizando la soldadura de la unión. Manteniéndose las variables constantes se encontramos que la penetración adecuada es lograda a velocidades intermedias;. Cuando se disminuye la velocidad de avance, el metal depositado por unidad de longitud se ve incrementado (aumenta el ancho del cordón), a velocidades más bajas el arco de soldadura forma una voluminosa de metal fundido (aporte-metal base), esto reduce una efectiva penetración, pero forma un cordón más ancho;. En cambio, una velocidad muy alta o un incremento en la velocidad más allá de lo óptimo, produce tendencia a la socavación (undercut) o mordeduras en los bordes del cordón de soldadura, sus cordones son estrechos con falta de penetración, debido al tiempo escaso que tiene el arco, para entregar una cantidad de calor suficiente y un aporte insuficiente de metal de depositado que llene el nuevo cordón en formación.. Figura Nº 2.14. Al aumentar la velocidad de avance:. A: Ancho del cordón, disminuye. P: Penetración, disminuye. S: Sobre-espesor (o sobre-monta), disminuye. T: Tamaño del cordón (cantidad de metal depositado), disminuye.. 19.

(30) . INDUCTANCIA, permite el ajuste adecuado de las características dinámicas de la fuente de poder, regula o minimiza el rango de variación eléctrica del arco en el desarrollo de la soldadura, pues posibilita el control del efecto de constricción (efecto “pinch”) del electrodo durante el instante del corto-circuito. El rango de amperaje debe ser alto para que se dé la transferencia de la gota y baja para minimizar las salpicaduras mejorando por lo tanto su estabilidad (KANG, 2003 p. 246. MUIRANDA, 1998 p 167). En la Fig. Nº 2.15, la curva A muestra una curva típica de corrientetiempo con una inductancia presente cuando la corriente aumenta de cero hasta el valor final; mientras que la curva B muestra el camino que recorrería al no existir inductancia.. Figura Nº 2.15. Efecto de la inductancia Corriente vs Tiempo (MIG /MAG welding, 2003). En la transferencia de metal de soldadura por corto circuito un incremento de la inductancia genera un aumento del tiempo de arco activo, siendo por lo tanto la poza de fusión más fluida, dando como resultando un cordón más achatado; una disminución de la inductancia causa el efecto contrario.. 20.

(31) El control de la inductancia, es el de lograr que la transferencia metálica de gotas liquidas sean pequeñas y no provoquen salpicaduras; no debe descuidarse de contar con la energía eléctrica suficiente que garantice una buena fusión. Por lo tanto, un aumento de inductancia mejora la humectación, haciendo que el metal de aporte y metal base forme un buen cordón adherido en la superficie del metal. . DIÁMETRO Y COMPOSICIÓN DEL METAL DE APORTE. Para garantizar las propiedades adecuadas en el metal soldado, es necesario seleccionar el alambre (metal de aporte) de acuerdo al tipo del metal base. La American Welding Society (AWS) clasifica los diferentes materiales de aporte, para cada proceso. El diámetro de alambre se selecciona también de acuerdo al espesor del metal base, de la posición de la soldadura y otros factores que limitan la formación de la poza de fusión y por ende el cordón de soldadura.. Entonces, seleccionado el diámetro y composición del alambre de aporte, le corresponderá un rango adecuado de corriente, que nos genere una estabilidad del proceso y se logre una formación de cordones satisfactorios. (GIMENES, 2005, IBQN, 1987, MARQUES, 1991).. Cuadro Nº 2.3. Rango de Corriente para Diferentes Diámetros de Alambre en Aceros al Carbono. Referencia. . Diámetro de alambre (mm). Gas de. 0,8. 0,9. 1,0. 1,2. 1,6. 2,0. Protección. (1). 50-130. --. 70-180. 100-140. 150-400. 200-550. CO2. (2). 40-220. 100-260. --. 140-310. 280-310. --. --. GASES DE PROTECCIÓN. En este proceso de soldadura, evita la contaminación del medio ambiente, también forma la atmósfera ionizada que estabiliza el arco de soldadura. Los gases según su naturaleza y. 21.

(32) composición van a tener una influencia sobre las características del arco, sobre la forma de transferencia del metal del electrodo a la pieza de trabajo, en la generación de penetración y en la forma del cordón. Del mismo modo el gas tiene influencia sobre perdidas de elementos químicos, en la temperatura de la poza de fusión, generando en algunos casos la fisurasión y porosidades, también se puede indicar que facilita la ejecución del soldeo en diversas posiciones, gracias a su ionización.. Figura Nº 2.16. La acción de los gases de protección a los componentes del aire. Las mezclas de alto contenido de argón con bióxido de carbono (o con oxígeno) se obtienen: . Aislamiento del arco, entre el alambre y la zona fundida.. . Buena humectación debido a la presencia del gas activo. . Mejora la transferencia globular.. . Alta Penetración y buen perfil de soldadura. . Más estable se presenta la velocidad de soldeo. . Mejora su limpieza. . Mejoran sus propiedades mecánicas del cordón obtenido.. 22.

(33) Figura Nº 2.17. Formas de cordón según el gas aplicado. 2.3. TEORÍAS DE TRANSFERENCIA DEL METAL DE SOLDADURA MIG/MAG. La actual teoría del estudio de la transferencia de metal, se centra en el equilibrio estático de las fuerzas que actúan en la punta del electrodo fundido (KIM, 1983). En la figura siguiente se presenta las principales fuerzas que actúan en la punta del electrodo y promueven la transferencia del metal: . Fg: La fuerza de la gravedad. . Fɣ: Tensión superficial. . Fem: Fuerza electromagnética. . Fa: Fuerza de arrastre por el paso de gases. . Fv: Fuerza de reacción del grupo de vapores y por el plasma. 23.

(34) Figura Nº 2.18. Acción de las fuerzas en la transferencia de metal. Se forma una gota en la punta del electrodo, que sobresale cuando el equilibrio de fuerzas actúa sobre este movimiento, para presentar esta transferencia de metal desde el electrodo (Kim, 1993, p. 285). se obtendrá la Ecuación: Fem + Fg + Fa > Fɣ + Fv. 2.3.1. Transferencia del Metal de Aporte, en base a las características del proceso GMAW estudiadas, se considera tres tipos de transferencias: . Transferencia por Corto Circuito,. . Transferencia Globular,. . Transferencia por Spray o Rocío.. 24.

(35) Figura Nº 2.19. Modos de transferencia de metal en el proceso GMAW. Estos tipos de transferencia queda determinado por los siguientes factores: . El tipo de corriente y su magnitud;. . Composición química del material de aporte (electrodo);. . Diámetro del electrodo;. . Stick out (extensión de electrodo);. . Por los gases de protección.. Transferencia Corto Circuito: Se da con valores bajos de corriente, voltaje y depende del diámetro de electrodo; sus depósitos de soldadura son pequeños y de rápida solidificación, de ahí que este tipo de aplicación o transferencia es para uniones de secciones de material delgado, es posible soldar en toda posición y en separaciones irregulares para el paso de raíz. La transferencia de las gotas metálicas va desde el electrodo a la pieza de trabajo, esto durante un corto período 25.

(36) de tiempo; para ello la punta del electrodo toca a la poza de soldadura, no existe una transferencia de metal a través de su longitud de arco. El contacto del electrodo con la poza de soldadura se realiza en un periodo que va de 20 a 200 veces por segundo.. Figura Nº 2.20. Secuencia de la transferencia de metal por cortocircuito. A. En este punto el electrodo entra en contacto físico con el metal fundido. Aquí el voltaje que genera el arco es próximo a cero y del mismo modo la corriente crece. No olvidemos que en algunas fuentes de poder el aumento de corriente es controlada por la inductancia seleccionada. B. Aquí actúan las fuerzas electromagnéticas en forma uniforme alrededor del electrodo, provocando un estrangulamiento de la punta del electrodo, conocida como “efecto Pinch”. En forma paralela el voltaje empieza a subir muy lentamente hasta llegar a su valor máximo y es aquí donde se produce la separación de la gota para formar el futuro cordón de soldadura.. 26.

(37) C. Aquí se presenta la expulsión de la gota líquida del extremo del electrodo, mientras que el voltaje y la corriente desarrollan su valor máximo (reencendido). D. En esta región se ve que declina la onda del circuito, por lo tanto, disminuye el voltaje y la corriente, al llegar a un valor mínimo de corriente, es aquí donde comienza a licuarse la punta del electrodo. E. En este punto el electrodo, nuevamente, entra en contacto con el metal fundido, preparándose la transferencia de la siguiente gota.. No olvidemos que la frecuencia de corto circuito varía entre 20 y 200 veces por segundo, y en algunas veces va estar influenciada por la inductancia y el tipo de gas protección. Los gases mixtos que contienen argón, permiten aumentar la frecuencia de los cortocircuitos generando la reducción del tamaño de gotas proyectadas.. Transferencia Globular: Presenta un tamaño de gota que es mayor que el diámetro del alambre usado, este tipo de transferencia es inestable, de ahí que no se usa, porque produce pegamentos y gran cantidad de salpicaduras.. Figura Nº 2.21. Secuencia de una Transferencia metálica Globular. Transferencia en Spray: Si la mezcla de protección gaseosa es rica en argón (gas inerte) y el electrodo está conectada al polo positivo, las gotas transferidas son más pequeñas al aumentar la corriente. Aquí la. 27.

(38) transferencia no es controlada por la fuerza de la gravedad, sino por la fuerza magnética, por lo tanto, las gotitas son lanzadas a la poza de fusión independientemente de la posición de soldadura. Por todo esto la transferencia es más estable con escazas perturbaciones en el arco y escazas salpicaduras.. Figura Nº 2.22. A) Transferencia de metal en Spray, B) Transferencia metálica Globular. Cuadro Nº 2.4. Parámetros Eléctricos de la Soldadura en sus Tipos de Transferencia Metálica. Modos. Corto Circuito. Globular. Spray. Ф mm. A. V. A. V. A. V. 0,8. 50/130. 14/18. 110/150. 18/22. 140/180. 23/28. 1,0. 70/160. 16/19. 130/200. 18/24. 180/250. 24/30. 1,2. 120/200. 17/20. 170/250. 19/26. 220/320. 25/32. 1,6. 150/200. 18/21. 200/300. 22/28. 260/390. 26/32. 28.

(39) 2.4. DISCONTINUIDADES.. Es cualquier interrupción de la estructura típica en una soldadura; por lo tanto, discontinuidad es la falta de homogeneidad en sus características físicas, mecánicas o metalúrgicas del metal soldado.. Las discontinuidades se generan por perturbaciones del proceso, fallas del tipo operacional o mala regulación de los equipos o fuentes de poder y/o accesorios.. 2.4.1. Clasificación de las discontinuidades:. Se clasifican de acuerdo a su origen y su forma.. A) Por su origen pueden ser;  Geométricas - Que puede ser por la falta de fusión, penetración, la presencia. de. mordeduras. o. socavaduras,. desalineamiento. y. deposición o recargue insuficiente.  Metalúrgicas - Se presenta en la poza de fusión durante el proceso de. soldadura,. donde. se. genera. refinación,. desoxidación,. desgasificación y las diversas transformaciones al estado sólido ya sea en la zona de fusión como en la zona afectada térmicamente.. B) Por su forma las discontinuidades pueden ser:  Plana- Se encuentran en dos dimensiones, es el caso de fisuras de solidificación y fisuras originadas por la presencia de hidrógeno, debido a la falta de fusión y penetración; estas discontinuidades se deben evitar porque generan elevadas concentraciones de tensiones.. 29.

(40)  Volumétrica- Se dan dentro de las tres dimensiones: poros, inclusiones, todos estos casos también generan concentración de tensiones, pero insignificantes con relación a las planas.. Debemos tener presente que una elección correcta de un proceso de soldadura, debe permitir conocer y saber diferenciar las posibles discontinuidades como minimizarlas o eliminarlas, ya que esto es determinante, en la valoración de costos, seguridad y calidad del producto.. A continuación, se presenta las posibles causas de discontinuidades y sus posibles soluciones.. Cuadro Nº 2.5. Falta de Fusión y Penetración en la Soldadura. CAUSAS. Aplicación inadecuada de los parámetros de soldadura. Trabajar con arco Inestable. Inclinación excesiva de la torcha (pistola). Velocidad de soldeo inadecuada.. POSIBLES SOLUCIONES Se debe aumentar el voltaje y la velocidad de alimentación de alambre Disminuir la velocidad de soldadura Acercar la distancia tubo de contacto a la zona de trabajo. Seleccionar un diámetro de alambre más delgado. Mejorar el contacto eléctrico entre la fuente de poder y la pieza a soldar. Limpieza en las guías de alambre. Regular la presión de los rodillos alimentadores. Chequeo de la polaridad correcta de acuerdo al material a soldar. Cambio del tubo de contacto desgastado o no es de la medida. Rangos adecuados de la tobera y la pieza de trabajo. Poner la inclinación correcta en el soldeo. Ajustar una velocidad de soldeo adecuada.. 30.

(41) Cuadro Nº 2.6. Penetración Excesiva de los Cordones de Soldadura CAUSAS Excesiva corriente en la combinación electrodo y gas de protección Apertura de la raíz y achaflanado de la junta inadecuado para la combinación electrodo-gas y velocidad de alimentación. Extensión libre del electrodo (stick out) inadecuado para el achaflanado existente y/o espesor de metal base Descontrol de la velocidad de soldadura para los parámetros de soldeo planteados. POSIBLES SOLUCIONES Ajustar correctamente la velocidad de alimentación de alambre (electrodo) o bien alterar el diámetro de electrodo Mejorar el diseño de la junta o bien renquear bien el ajuste de los parámetros de la soldadura. Regular adecuadamente el stick out (distancia tubo de contacto y extremo del electrodo) durante la soldadura Controlar mejor la velocidad de soldadura, el ángulo de inclinación de la torcha durante la soldadura.. Cuadro Nº 2.7. Presencia de Porosidades en la Soldadura CAUSAS Escasa regulación en la alimentación de gas de protección Obstrucción del gas en la boquilla de soldeo debido a las salpicaduras Excesivo flujo de gas generando turbulencia Demasiado viento en la zona de trabajo. Alambre de soldadura oxidado o sucio Trabajar con elevada velocidad de soldeo, evita una buena protección gaseosa Mantener la torcha muy alejada de la zona de soldadura del metal base Mala inclinación del ángulo de la torcha. Suciedad del metal base, oxidación, grasa, pinturas, etc. Calibrado inadecuado de la relación voltaje/amperaje (tensión elevada/corriente baja) Contaminación del gas de protección Uso de alambre o electrodo de soldadura que no corresponde al tipo de protección. Composición química del metal base con azufre >0,05% o presenta elevadas inclusiones. POSIBLES SOLUCIONES Chequeo del sistema de alimentación, aumentar la alimentación de gas de protección Mantenimiento y limpieza de la boquilla en forma continua. Regular el flujo de gas en forma adecuada. Proteger con cortinas ignifugas en forma adecuada la zona soldar. Usar alambre limpio y seco. Mejorar el control de la velocidad de soldeo. Acercar la torcha a la zona de fusión, en especial al finalizar el cordón y mantenerlo un instante sobre la poza. Colocar el ángulo en forma adecuada Mantener la limpieza del metal base en el momento de soldeo. Regular en forma correcta el Voltaje/amperaje. Verificar y controlar el sistema de alimentación y la calidad del gas de protección proveído. Seleccionar el correcto gas para el tipo de alambre a usarse. Controlar la composición química del metal base, que sea con azufre<0,05% y verificar la ausencia de inclusiones.. 31.

(42) 2.5. SOLDABILIDAD. Es la capacidad de un material que puede unirse con otro al ser soldado, bajo las condiciones impuestas por códigos y normas de soldadura para un producto específico, que sea aceptable y de desempeño satisfactorio para los servicios a que ha sido fabricado, (AWS, 1998). Para determinar la soldabilidad de un material es necesario considerar el proceso y el procedimiento de soldadura y su aplicación; siendo necesario conocer previamente el material que va hacer soldado, el proyecto de soldadura del producto, los requerimientos de servicio, como cargas, ambiente, etc. (Modenesi, 2004).. La soldabilidad de los aceros al carbono depende sus porcentajes de sus aleantes C y Mn y de los niveles de impurezas; los porcentajes de carbono fluctúan desde 0,15% (de excelente soldabilidad no son templables), mientras los aceros de 0,15 a 0,30% poseen buena soldabilidad, pero además existe la posibilidad de endurecimiento por lo que se deben tomar precauciones en su procedimiento al momento de ser soldado. (Moreira, 2008).. 2.6. DILUCIÓN. Está formado por parte del metal base y el metal de aporte formando parte de la zona fundida (cordón de soldadura), que puede variar desde 5% a 100%. En las aplicaciones los aceros de bajo carbono esta dilución tiene poca importancia con respecto al comportamiento del resultado final; mientras que, en algunas aplicaciones especiales, la dilución es determinante, pudiendo encontrarse fallas durante la operación del proceso. (Zeemann, 2003).. 32.

(43) 2.7. METALURGIA DE LA SOLDADURA. 2.7.1. Regiones de una Soldadura. En el proceso de soldadura existen las zonas: metal base (MB), zona afectada por el calor (ZAC) y la zona fundida (ZF) o metal de soldadura.. Figura Nº 2.23. Regiones de un cordón de soldadura. Las características micro-estructurales de estas regiones, dependen de las condiciones térmicas que fue sometida la soldadura y de las composiciones químicas del metal base y el metal de adición (Lancaster, 1999).. Se debe indicar que la dureza en la zona afectada por el calor (ZAC), no está relacionada solo a su composición química del consumible, sino también a las condiciones operacionales del procedimiento de soldadura, que como conocemos influyen en cada pase de soldadura, generando transformaciones micro-estructurales y consecuentemente cambios en sus propiedades. (Fortes, 2004).. La distribución térmica de una junta soldada está representada en la siguiente Fig. Nº 2.24 donde la sección transversal, nos muestra la. 33.

(44) temperatura pico (Tp), temperatura de fusión (Tf), y la temperatura de la chapa (Tc).. Figura Nº 2.24. Muestra las regiones de una soldadura por fusión, A- zona fundida (ZF), B- zona afectada por el calor (ZAC), y C- metal base (MB). (Bracarense, 2009).. 2.7.2. Calor en los Procesos de Soldadura por Arco. El Ciclo térmico de la soldadura influencia fuertemente en sus reacciones y alteraciones estructurales que ocurren en las diversas regiones del material, (Bracarense, 2009), tal como nos muestra la Fig. Nº 2.25 que se da para un acero bajo carbono en los diversos puntos de la zona de fusión, zona ZAC y zona del metal base.. La combinación de granos mixtos, debido a las altas rangos de enfriamiento, pueden formar fases frágiles y duras en el metal fundido y en la zona ZAC en los aceros soldados. Además de eso la presencia de hidrógeno difundido en el metal de soldadura puede causar fisuras en el conjunto soldado (Kou, 1987). 34.

(45) Figura Nº 2.25. Esquema que nos muestra las diferentes alteraciones de un acero bajo carbono. (Bracarense, 2009).. Figura. Nº 2.26. Representación esquemática de las zonas de una soldadura y el diagrama de fases (COLPAERT, 2008). 35.

(46) La energía utilizada en los procesos de soldadura, produce notables alteraciones en los metales base a soldar. Siendo que esta energía influye en diversos aspectos en la soldadura realizada Así: (Machado, 2000) . Macro-estructura solidificada del metal base soldado;. . Transformaciones micro-estructurales;. . Propiedades mecánico/metalúrgicas;. . Discontinuidades;. . Tensiones residuales;.  Deformaciones.. Al realizarse la soldadura, la ZAC sufre calentamientos por encima de la temperatura crítica de austenización, alterando sus propiedades mecánicas y estructurales del metal base. Por lo tanto, esta región debe ser enfriada con sumo cuidado evitando la formación de fases frágiles, para minimizar las propiedades originales del metal. En aceros de mediano y alto carbono se generará transformaciones de fase que conducirá a la formación de una estructura ferrítica con regiones de martensita, o bien con una bainita grosera si el enfriamiento es lento por lo tanto perjudicará la resistencia de esta región (Reis Sobrinho e Alcantara, 2007). Todo esto nos permite indicar que el ciclo térmico en la ZAC influye directamente en la micro-estructura, y por lo tanto a las propiedades finales de la junta, de este modo se puede decir que la microestructura formada depende de los siguientes factores: . Temperatura máxima del ciclo térmico;. . Velocidad de enfriamiento;. . Composición química del material a soldarse.. 36.

(47) 2.7.3. Ciclo Térmico. El ciclo térmico se debe al comportamiento de la temperatura a lo largo del tiempo, durante la ejecución de la soldadura, afectando a las propiedades del metal soldado.. En los procesos de soldadura por arco eléctrico, el ciclo térmico consiste en el calentamiento rápido (centenas de grados por segundo), seguido de un enfriamiento relativamente rápido (decenas de grados por segundo) hasta llegar a la temperatura ambiente (Poorhaydari et at., 2005).. Si se realiza un cordón de soldadura por cualquier proceso al arco eléctrico, Fig. Nº 2.27. Los ejes XYZ son mutuamente perpendiculares; la soldadura se realiza a una velocidad Ѵ en el sentido OX, recorriendo la distancia Ѵ x t en el tiempo t y en el punto (P) en la posición (X, Y, Z) es representado por el vector ṝ con módulo:. r = (x2 + y2 + z2)1/2. Figura Nº 2.27. Soldadura realizada en una superficie metálica (Machado.2000). Para adquirir el ciclo térmico debe utilizarse termopares especialmente escogidos (Ni-Cr/Ni-Al tipo K) para posicionarlos en el metal base. 37.

(48) realizando agujeros en dichas superficies. Se emplea para realizar los cálculos de los ciclos térmicos en base a la teoría de Rosenthal.. 2.7.4. Modos de Enfriamiento. De acuerdo a la penetración del cordón de soldadura se puede tener tres formas de presentarse, tal como muestra la Fig. Nº 2.28. (Londoño, 2001; Machado, 2000). El primer cordón presenta una penetración completa, el calor es extraído en dos direcciones y las isotermas son casi paralelas a la línea de fusión, siendo este régimen del tipo bidimensional (2D).. El segundo caso es de penetración incompleta, con calentamiento inferior, el régimen de extracción de calor es intermedio (2,5D).. Cuando la superficie inferior no es calentada, el régimen es tridimensional (3D).. Figura Nº 2.28. Representación de disipación de calor (a) 2D; (b) 2,5D; (c) 3D (Machado, 2000). 38.

(49) La Fig. Nº 2.29, nos da a conocer los ciclos térmicos calculados para diversos espesores de chapa, ocasionado por los diversos regímenes de enfriamiento, en el punto (0,10,0) con una potencia de 20 kW y una velocidad de 10 mm/s sobre un acero al carbono.. Figura Nº 2.29. Ciclos térmicos para diferentes espesores su difusión de calor.. Debe indicarse que en la mayoría de modelos físicos de soldadura consisten en una fuente de calor que fluye en línea recta, con velocidad constante como se ilustra de difusión de calor 3D. A pesar de basarnos en la teoría de conducción de calor de los sólidos, los principales modelos fueron desarrollados con las siguientes simplificaciones: (Londoño, 2001; Machado, 2000). . El material base es homogéneo e isotrópico en todas las temperaturas y no ocurren transformaciones micro estructurales;. . No existen fuentes ni disipadores de calor en el interior del material;. . Las propiedades físicas del material base son constantes;. 39.

(50) . La fuente de energía es ideal como un punto para el caso de la difusión tridimensional, o como una línea con longitud igual al espesor de la pieza cuando la disipación ocurre en forma bidimensional;. . En la soldadura al arco eléctrico, el efecto Joule (R.I 2) es tomado en cuenta.. 2.8. DELINEAMIENTO DEL EXPERIMENTO. En Las diversas labores productivas en la industrial Metal-Mecánica, es necesario obtener información preliminar de ciertos fenómenos, de que es vital importancia el uso de los métodos científicos. A pesar de que en ingeniería. disponemos de. procedimientos detallados es necesario. profundizar aún más la realización de un determinado experimento, con el objetivo de obtener información específica, que logre minimizar costos en los procesos y operaciones, e incrementen la productividad. Entonces se puede brindar al mercado productos con mejores características, de alta calidad. Toda esta necesidad nos permite tomar esta gran herramienta, el diseño de análisis experimental, dando respuesta a los problemas tecnológicos y científicos, permitiéndonos acercamientos con mayor precisión estadística y desarrollando análisis de sus respuestas para lograr bajos costos de operación. Con una buena planificación se logra diseñar una buena experimentación, que nos otorgue información deseada. Entonces necesitamos tener bien esclarecida la finalidad de nuestro estudio, para poder captar la mejor información, como procesarla y evaluarla.. Según Montgomery (1984) para un diseño de experimentos bien desarrollado, se debe seguir los siguientes pasos:  Conocimiento y la exposición del problema;  Elección de los parámetros y niveles;. 40.

(51)  Selección de las respuestas;  Elegir el diseño de experimentos  La realización del experimento;  Análisis de los resultados;  Conclusiones y recomendaciones.. 2.8.1. Estimación del Error Experimental. En la determinación del error experimental existen diversas técnicas estadísticas. Es así que para experimentos que necesitan el uso de réplicas, se da en aquellos casos que disponen de un pequeño número de parámetros o se tiene dificultad de conseguir datos, para estos casos existen técnicas específicas que nos permiten el cálculo de errores. Como también es necesario indicar que para llevar adelante ciertos experimentos, no se pueden concretizar por razones económicas o técnicas, entonces no admiten repeticiones evitándose por lo tanto el uso de la técnica de réplicas. Por tanto, el investigador utiliza otras técnicas, que permitan calcular el error experimental, así, por ejemplo, ya no se desarrollaría los efectos de interacción de orden superior, por no considerarse cálculos referentes a este error.. También el error experimental se puede conseguir a través del complemento replicas en los puntos centrales, que nos permiten comprobar la linealidad de los resultados.. 2.8.2 Pruebas de Significancia de los Efectos. En el caso del análisis de significancia de los parámetros, esto puede lograrse con el Pvalue de cada parámetro estudiado. Utilizando un nivel de significancia del 5% cuando existe Pvalue menor de 0,05, se puede decir que este parámetro es significativo, o sea se influye en el proceso. El Pvalue es generado por el software CENTURION STATGRAPHICS. 41.

(52) Al considerar muchas variables simultáneamente, con más de una respuesta, el analizar qué parámetro es más influyente es dificultoso, ya que un parámetro puede ser el más importante para una respuesta, pero no es tan significativa para otra.. Este caso se puede resolver haciendo uso del análisis de significancia, que se desarrolla para grupos que son de necesidad y lograr una conclusión segura. Con el recurso estadístico se puede seleccionar un grupo pequeño de variables que se correlacionan y se evita la multicolinealidad en la regresión. Es así con el análisis estadístico multivariada, se analiza la estructura de la covarianza de los datos y se puede realizar las. reducciones. correspondientes;. donde. se. selecciona. los. “Componentes Principales”, las respuestas a analizar y se concluye con la elaboración de diagrama de Pareto, donde posteriormente se obtiene resultados, un “valor propio” y “proporción” donde se observa la participación de cada parámetro y su implicancia en los resultados.. Si se realiza un análisis en cada grupo de respuesta de interés, se obtiene resultados diferentes de acuerdo a cada variable influyente.. Al trabajar experimentos usando puntos centrales, se estima el error experimental a través de este, además se puede analizar si la región que se trabaja está cerca o no de una región óptima. Este análisis también se puede realizar con Pvalue en los puntos centrales, llegando a un nivel de significancia del 95%.. 2.8.3. Metodología de la Superficie de Respuesta. La metodología de superficie de respuesta (RSM - Respuesta metodología de superficie). Fue introducido por Box en los años 50 y ha logrado un gran éxito en su uso en diversos procesos industriales (Neto et al, 1995). Esta. 42.

(53) herramienta le permite evaluar, cómo las respuestas se ven afectados cuando las variables de entrada son ajustadas fuera de la región de interés, saber cuáles son las variables de entrada, cuando combinadas afectan a la respuesta, y también saber qué valores de estas variables tendrán la respuesta deseada (maximizado o minimizado) y cuál es la superficie de respuesta más cercana al óptimo.. Esta técnica matemática y estadística, es utilizada para el análisis y modelado de problemas, donde la respuesta de interés es influenciado por varios parámetros y donde el objetivo es optimizar esta respuesta. A esto se usa generalmente el primer y segundo polinomios, ver Cuadro Nº 2.8. Cuadro Nº 2.8. Descripción de las funciones para modelos primero y segundo orden. ORDEN. FUNCIÓN. Primera. Y= b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3. Segunda. Y= b0 + b1x1 + b2x2 + b3x3 + b11x12+ b22x22 + b33x32 + b12x1x2 + b13x1x3 + b23x2x3. A través del análisis de varianza, se puede analizar estadísticamente si el modelo matemático es adecuado o no, y también la significancia de los coeficientes. La adecuación está determinada a través de pruebas de hipótesis, o sea la distribución de F en determinado nivel de significancia del 95%, el valor de Pvalue muestra la probabilidad de error al aceptar la hipótesis. El software permite obtener los valores de R2, que indica cual es el porcentaje efectivamente explicada por el modelo matemático. Después obtener los modelos completos, se puede analizar o no y de obtener un modelo reducido. Esto es hecho a través de los análisis P value de la regresión, o sea si el valor de Pvalue de la regresión es menor que 0.05, podemos decir que el modelo es adecuado y no es necesario obtener un 43.

(54) modelo reducido. Si el caso es que Pvalue es mayor que 0.05, el modelo no es significativo y entonces hay necesidad de obtener el modelo reducido, a través de la eliminación de factores e interacciones no significativas de cada respuesta. Los valores de R2 del modelo reducido serán mayores y el error padrón será menor cuando es comparado con el error completo.. En la metodología de la superficie de respuesta se tiene el diseño cuadrático, más conocido como CCD, Central Composite Desing. Este es formado por tres grupos de elementos experimentales: un factorial completo, un número de puntos centrales (center point) y un número de puntos estrella (star poinTs) el que permite la estimación del modelo curvatura.. Para. sus. formulaciones,. son. utilizados. los. niveles. especificados por los experimentadores (+1 y -1) o valores del punto central (0) y los valores extremos calculados por el software (+2 y -2).. En esta etapa se puede observar que algunos experimentos de la fase anterior que pueden ser aprovechados, facilitando aún más su ejecución.. 2.8.4. Optimización de las Respuestas: Diseño Hexagonal. Aquí se pueden simular diversas combinaciones de los parámetros y sus correspondientes respuestas; así mismo, obtener combinaciones de sus parámetros hasta conseguir un resultado satisfactorio. Para esto se tiene que definir un rango aceptable para cada respuesta, se realiza su análisis, y se culmina con el procesado de los resultados.. Esta herramienta también posibilita simular varias combinaciones de parámetros con sus respectivas respuestas, obteniendo acercamientos satisfactorios para aplicaciones específicas, ahorrándose tiempo y dinero.. 44.