Comparación de dos métodos de soldadura para fundiciones de hierro nodular perlitico

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(1)UNIVERSIDAD DE LOS ANDES FACULTAD DE INGENIERÍA DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECÁNICA. PROYECTO DE GRADO PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE INGENIERO MECÁNICO. COMPARACIÓN DE DOS MÉTODOS DE SOLDADURA PARA FUNDICIONES DE HIERRO NODULAR PERLÍTICO. AUTOR:. ANDRÉS JULIÁN CORZO MARTÍNEZ. ASESOR:. WILSON ALEXANDER HORMOZA R. DR. ENG. MAT.. BOGOTÁ DC, JULIO DE 2008 1.

(2) Tabla de contenido Tabla de contenido ............................................................................................................. 2 Índice de Figuras ................................................................................................................ 5 Índice de Gráficos ............................................................................................................... 9 Índice de Tablas ................................................................................................................10 Objetivos ..........................................................................................................................11 Objetivo General ............................................................................................................11 Objetivos Específicos ......................................................................................................11 Introducción......................................................................................................................12 1. Estado del Arte ...........................................................................................................13 1.1. ¿Qué es soldadura? ..............................................................................................13. 1.2. El Proceso de Soldadura Ideal................................................................................14. 1.3. El Proceso de Soldadura Real.................................................................................15. 1.4. Proceso de Soldadura por Fusión ...........................................................................16. 1.4.1. Proceso de Soldadura por Arco Eléctrico con Electrodo Protegido (SMAW) ..........16. 1.4.2. Uniones por SMAW de Fundiciones de Hierro....................................................17. 1.5. 2. Unión por Brazing .................................................................................................20. 1.5.1. Proceso de Brazing en Horno ..........................................................................22. 1.5.2. Uniones por Brazing de Fundiciones de Hierro ..................................................23. Materiales y Metodología .............................................................................................26 2.1. Materiales ............................................................................................................26. 2.2. Metodología .........................................................................................................27. 2.2.1. Caracterización del Material Base.....................................................................27. 2.2.2. Análisis de las Uniones Soldadas por los Procesos de Brazing y SMAW ................28. 2.2.3. Comparación de los Dos Procesos ...................................................................29. 2.3. Descripción de los Ensayos y Pruebas.....................................................................29. 2.3.1. Inspección Visual ...........................................................................................29. 2.3.2. Tintas Penetrantes .........................................................................................30. 2.3.3. Análisis de Composición Química .....................................................................30. 2.3.4. Preparación de Muestra Metalográficas ............................................................30 2.

(3) 2.3.5. Microscopia Óptica .........................................................................................30. 2.3.6. Microscopia Electrónica de Barrido ...................................................................31. 2.3.7. Dureza ..........................................................................................................31. 2.3.8. Microdureza...................................................................................................31. 2.3.9. Ensayo de Tensión .........................................................................................31. 2.3.10. Ensayo de Flexión ..........................................................................................32. 2.4 3. Diseño y Ejecución del Proceso de Soldadura por Arco con Electrodo Protegido .........33. Resultados y Discusión ................................................................................................36 3.1. Caracterización del Material Base ...........................................................................36. 3.1.1. Composición Química .....................................................................................36. 3.1.2. Ensayo de Dureza ..........................................................................................37. 3.1.3. Análisis Metalográfico .....................................................................................39. 3.1.3.1. Microscopia Óptica...................................................................................39. 3.1.3.2. Microscopia Electrónica de Barrido ............................................................41. 3.1.4. Ensayo de Microdureza ...................................................................................43. 3.1.5. Ensayo de Tensión .........................................................................................44. 3.2. Brazing ................................................................................................................46. 3.2.1. Inspección Visual ...........................................................................................46. 3.2.2. Tintas Penetrantes. ........................................................................................47. 3.2.3. Análisis Metalográfico .....................................................................................48. 3.2.3.1. Microscopia Óptica...................................................................................49. 3.2.3.2. Microscopia Electrónica de Barrido ............................................................50. 3.2.4. Ensayo de Microdureza ...................................................................................51. 3.2.5. Pruebas de Tensión ........................................................................................52. 3.2.6. Pruebas de Flexión .........................................................................................54. 3.2.7. Análisis Fractográfico......................................................................................56. 3.3. 3.2.7.1. Observación Macroscópica........................................................................56. 3.2.7.2. Observación Microscópica.........................................................................57. Soldadura de Arco Eléctrico con Electrodo Protegido (SMAW) ...................................58. 3.3.1. Inspección Visual ...........................................................................................58. 3.

(4) 3.3.2. Tintas Penetrantes .........................................................................................60. 3.3.3. Análisis Metalográfico .....................................................................................61. 3.3.3.1. Microscopia Óptica...................................................................................61. 3.3.3.2. Microscopia Electrónica de Barrido ............................................................64. 3.3.4. Ensayo de Microdureza ...................................................................................66. 3.3.5. Pruebas de Tensión ........................................................................................68. 3.3.6. Pruebas de Flexión .........................................................................................70. 3.4. Comparación del Método de Unión por Brazing y el proceso SMAW ...........................71. 4. Conclusiones...............................................................................................................75. 5. Bibliografía .................................................................................................................77. 4.

(5) Índice de Figuras Figura 1. Ejemplo de una perfecta unión soldada (Raj, Shankar, & Bhaduri, 2006). .................15 Figura 2. Ilustración del proceso SMAW y detalle del proceso de deposición de material. .........17 Figura 3. Esquema de las zonas afectadas por la temperatura en una fundición de hierro (Davids, 1996). .................................................................................................................18 Figura 4. Esquema de una unión por brazing (AWS, 1991). ...................................................21 Figura 5. Fenómeno de mojado a) situación en la que no se presenta mojado b) situación ideal para el mojado (AWS, 1991)...............................................................................................21 Figura 6. Proceso de Brazing en horno: posicionamiento del material de aporte en la unión, fundición del material de aporte y flujo del mismo, y la unión final (ASM, 1993). .....................22 Figura 7. Tubo para estudio del material base. .....................................................................26 Figura 8. Tubo unido por el proceso de Brazing ....................................................................26 Figura 9. Tubos biselados para el proceso SMAW. ................................................................27 Figura 10. Probeta de tensión del material base. ..................................................................32 Figura 11. Probeta de tensión de los procesos de unión. .......................................................32 Figura 12. Probeta de flexión del material soldado. ...............................................................33 Figura 13. Distribución de las pasadas en el proceso de enmantequillado. ..............................35 Figura 14. Distribución de las pasadas en el cordón final del proceso SMAW. ..........................35 Figura 15. Lugar donde se realizaron las indentaciones de la prueba de dureza en la dirección transversal del material base. .............................................................................................37 Figura 16. Lugar donde se realizaron las indentaciones de la prueba de dureza en la dirección longitudinal del material base. ............................................................................................38 Figura 17. Micrografía del material base en la dirección transversal a 100X, donde se observan la una matriz perlitica. ...........................................................................................................40 Figura 18. Micrografía del material base en la dirección transversal a 200X, se indica la formación de nódulos de grafita rodeados por aureolas de ferrita. .........................................40 Figura 19. Micrografía del material base en la dirección transversal a 500X, se muestran los diferentes tipos de grafita presentes en el material. ..............................................................40 Figura 20. Micrografía del material base en la dirección transversal a 1000X, se observa en detalle la forma las laminas que conforman la matriz perlitica................................................40 Figura 21. Micrografía del material base en la dirección axial a 100X, observándose una mayor cantidad de ferrita en esta dirección. ...................................................................................41 Figura 22. Micrografía del material base en la dirección axial a 200X, se indican los diferentes tipos de grafita observados.................................................................................................41 Figura 23. Micrografía del material base en la dirección axial a 500X, se aprecia la estructura denominada como ojo de buey. ..........................................................................................41. 5.

(6) Figura 24. Micrografía del material base en la dirección axial a 1000X, se observa el detalla de la interacción entre las diferentes fases. ..................................................................................41 Figura 25. Micrografía del material base en la dirección transversal a 2500X, se indica el tamaño aproximado de los nódulos de grafita. .................................................................................42 Figura 26. Micrografía del material base en la dirección transversal a 3000X, se señala la formación de carburos en la fase ferrítica y perlítica. ............................................................42 Figura 27. Micrografía del material base en la dirección transversal a 10000X, se observa una perlita de laminas finas. .....................................................................................................42 Figura 28. Micrografía del material base en la dirección transversal a 10000X, se aprecia la formación de perlita gruesa en las cercanías de la ferrita. .....................................................42 Figura 29. Micrografía del material base en la dirección axial a 2500X, se indica el tamaño aproximado de los nódulos de grafita en esta dirección. ........................................................43 Figura 30. Micrografía del material base en la dirección axial a 5000X, se observan carburos de mayor tamaño en la fase ferrítica. .......................................................................................43 Figura 31. Micrografía del material base en la dirección axial a 10000X, ampliación de los carburos observados en la ferrita. .......................................................................................43 Figura 32. Micrografía del material base en la dirección axial a 10000X, detalle de las laminas finas que forman la perlita. .................................................................................................43 Figura 33. Vista externa de la unión por brazing mostrando una adecuada penetración. ..........46 Figura 34. Vista externa de la unión por brazing mostrando un mojado inadecuado. ...............46 Figura 35. Vista lateral del cordón unido adecuadamente. .....................................................47 Figura 36. Vista lateral del cordón unido inadecuadamente. ..................................................47 Figura 37. Vista general del cordón por Brazing con gran cantidad de defectos. ......................48 Figura 38. Zona con poca cantidad de defectos. ...................................................................48 Figura 39. Zonas con regiones tipo uno de porosidad............................................................48 Figura 40. Zona con regiones tipo dos de defectos. ..............................................................48 Figura 41. Micrografía de la unión por Brazing a 200X, indicando los materiales involucrados y problemas de llenado. ........................................................................................................49 Figura 42. Micrografía de la unión por Brazing a 500X, se observan las diferentes calidades de unión según las fases del material base. ..............................................................................49 Figura 43. Micrografía de la unión por Brazing a 1000X, mostrando el problema que representa la grafita para la unión. ......................................................................................................50 Figura 44. Micrografía de la unión por Brazing a 1000X, se muestra un buen mojado sobre la perlita. ..............................................................................................................................50 Figura 45. Micrografía de la unión por Brazing a 1000X, mostrando los problemas causados por la grafita. ..........................................................................................................................50 Figura 46. Micrografía de la unión por Brazing a 2500X, indicando los bordes con mojado deficiente. .........................................................................................................................50 6.

(7) Figura 47. Micrografía de la unión por Brazing a 5000X, señalando un sitio de buena adhesión. ........................................................................................................................................51 Figura 48. Micrografía de la unión por Brazing a 10000X, indicando los problemas de llenado. .51 Figura 49. Fotografía de la muestra unida por brazing donde se indican las direcciones de los perfiles de microdureza. .....................................................................................................51 Figura 50. Superficie de fractura con mejores condiciones de mojado. ...................................57 Figura 51. Superficie pulida del material base que presenta las mismas características que las cavidades presentes en la superficie de fractura de la unión. .................................................57 Figura 52. Superficie de fractura que no presento mojado donde se observan óxido y alta rugosidad..........................................................................................................................57 Figura 53. Capa de óxido en medio de un sitio con buen mojado. ..........................................57 Figura 54. Superficie de fractura de la unión por Brazing a 450X, se señalan las cavidades y los nódulos de grafita..............................................................................................................58 Figura 55. Superficie de fractura de la unión por Brazing a 1000X, se aprecia con claridad los nódulos de grafita..............................................................................................................58 Figura 56. Superficie de fractura de la unión por Brazing a 1600X, se observan las cavidades y los sitios de unión. .............................................................................................................58 Figura 57. Superficie de fractura de la unión por Brazing a 3000X, se indican los posibles dimples. ............................................................................................................................58 Figura 58. Escoria atrapada en la parte superior del cordón de soldadura. ..............................59 Figura 59. Pedazo de escoria de mayor tamaño atrapado en la superficie del cordón...............59 Figura 60. Escoria atrapada hacia el lado del cordón de soldadura. ........................................59 Figura 61. Falta de penetración en la raíz del cordón a causa de una mala selección de la geometría de la unión. .......................................................................................................59 Figura 62. Cordón de soldadura que no revelo deficiencia. ....................................................60 Figura 63. Manchas de tintas generadas por la inclusión de escoria al exterior de la soldadura. 60 Figura 64. Detalle de una de las inclusiones de escoria.. .......................................................60 Figura 65. Inclusión de escoria de mayor tamaño encontrada en el cordón. ............................60 Figura 66. Zonas con micorestructura diferente en la soldadura .............................................61 Figura 67. Micrografía de la zona fundida a 100X, exhibiendo un crecimiento dendrítico. .........62 Figura 68. Micrografía de la zona fundida a 500X, mostrando los granos de austenita y el precipitado. .......................................................................................................................62 Figura 69. Micrografía de la zona fundida a 100X, donde se observa la aparición de grafita en varias morfologías. ............................................................................................................62 Figura 70. Micrografía de la zona fundida a 500X, se muestra la formación de grafita y la precipitación de posibles carburos. ......................................................................................62 Figura 71. Zona de interacción a 100X, donde se aprecia el verdadero tamaño de la zona parcialmente fundida. ........................................................................................................63 7.

(8) Figura 72. Zona parcialmente fundida a 200X, se aprecia una estructura similar a la del hierro blanco. .............................................................................................................................63 Figura 73. Zona parcialmente fundida a 1000X, se distinguen carburos en formas de agujas y Ledeburita. .......................................................................................................................63 Figura 74. Zona afectada por el calor a 500X, donde se distingue una matriz martensítica. ......63 Figura 75. Zona afectas por el calor a 1000X, donde se observa la austenita revenida .............64 Figura 76. Zona de material base a 200X, presentando las tres fases típicas de la aleación. .....64 Figura 77. Zona fundida a 3000X, donde se aprecian los granos poligonales de austenita y la grafita. .............................................................................................................................65 Figura 78. Zona parcialmente fundida a 3000X, se observa una estructura similar a la del hierro blanco. .............................................................................................................................65 Figura 79. Zona parcialmente fundida a 12000X, se distinguen martensita, austenita y carburos en la Ledeburita. ...............................................................................................................65 Figura 80. Zona afectada por el calor a 3000X, donde se distingue una matriz martensítica. ....65 Figura 81. Zona afectas por el calor a 3000X, donde se observa una matriz martensítica y la precipitación de grafita.......................................................................................................66 Figura 82. Zona afectada por el calor a 3000X, presentando una matriz combinada de perlita y martensita. .......................................................................................................................66 Figura 83. Dirección de los perfiles de microdureza en la muestra del proceso SMAW. .............66. 8.

(9) Índice de Gráficos Gráfica 1. Curvas de fuerza y energía potencial que explica la formación de los enlaces atómicos (Raj, Shankar, & Bhaduri, 2006). ........................................................................................14 Gráfica 2: Rango de temperatura de precalentamiento para no agrietar el material (ASM, 1993). ........................................................................................................................................34 Gráfica 3: Curva esfuerzo versus deformación del material base ............................................45 Gráfica 4: Perfiles de microdureza de la unión por brazing. ...................................................52 Gráfica 5: Curvas obtenidas del ensayo de tensión del material unido por el proceso de brazing. ........................................................................................................................................53 Gráfica 6: Curvas obtenidas del ensayo de flexión del material unido por el proceso de brazing. ........................................................................................................................................55 Gráfica 7: Perfiles de microdureza de la unión por el proceso SMAW. .....................................67 Gráfica 8: Curvas obtenidas del ensayo de tensión del material unido por el proceso SMAW. ...69 Gráfica 9: Curvas obtenidas del ensayo de flexión del material unido por el proceso SMAW. ....70. 9.

(10) Índice de Tablas Tabla 1. Especificaciones geométricas del material utilizado. .................................................27 Tabla 2. Reactivos utilizados para el ataque de las muestras metalográficas (Vander Voort, 2000). ..............................................................................................................................30 Tabla 3. Composición química del electrodo Níquel 60 (% en peso) (West Arco). ....................33 Tabla 4. Resultados de la composición química de la muestra analizada y valores normales para una fundición nodular (% en peso). ....................................................................................36 Tabla 5. Resultado del ensayo de dureza en la dirección transversal en el material base. .........38 Tabla 6. Resultados del ensayo de dureza en la dirección axial. .............................................39 Tabla 7. Resultados del ensayo de microdureza en el material base. ......................................44 Tabla 8 Valores reportados en bases de datos para las fases presentes. .................................44 Tabla 9. Propiedades mecánicas obtenidas en el ensayo de tensión del material base. ............45 Tabla 10. Propiedades mecánicas obtenidas del ensayo de tensión de la unión por el proceso de brazing. ............................................................................................................................54 Tabla 11. Angulo de deflexión máximo obtenido de la prueba de flexión de la uniones por el proceso de brazing. ...........................................................................................................55 Tabla 12. Rangos de dureza de las diferentes zonas de la soldadura. .....................................68 Tabla 13. Propiedades mecánicas obtenidas de los ensayos de tensión de las uniones por el proceso SMAW. .................................................................................................................69 Tabla 14. Angulo de deflexión máximo obtenido de la prueba de flexión de la uniones por el proceso SMAW. .................................................................................................................71. 10.

(11) Objetivos Objetivo General. Desde el punto de vista microestructural y de propiedades mecánicas comparar un proceso de soldadura por arco metálico protegido (SMAW) contra un proceso de soldadura capilar.. Objetivos Específicos. •. Caracterizar el material base, el cual corresponde a una fundición de hierro dúctil.. •. Identificar y evaluar los cambios generados sobre la microestructura de la fundición de hierro dúctil después de someterse a un proceso de soldadura SMAW.. •. Identificar y evaluar los cambios generados en la microestructura de la fundición de hierro dúctil después de someterse a un proceso de soldadura capilar.. •. Evaluar las propiedades mecánicas de la fundición de hierro dúctil después de los proceso de soldadura a través de la aplicación de diversas ensayos mecánicas.. •. Establecer relaciones entre la microestructura del material soldado y sus propiedades mecánicas.. •. Comparar los resultados obtenidos para los dos procesos y determinar cual de los dos metales ofrece una mayor resistencia mecánica.. 11.

(12) Introducción La fundición de hierro nodular es un material con un alto potencial de aplicación, ya que combina propiedades muy mecánicas similares a las del acero, pero con un proceso de fabricación mucho más económico como lo es típicamente para las fundiciones de hierro. Desafortunadamente, debido al poco entendimiento de ciertos fenómenos relacionados con este material, el desarrollo de nuevas técnicas de manufactura ha sido lento y por tanto su uso es aun limitado. Uno de los procesos de manufactura poco desarrollados es la soldadura de estos materiales. Esto se debe principalmente a que los. cambios microestructurales generados. durante el proceso son bastantes drásticos e incontrolables, lo que se traduce en una pérdida de las propiedades mecánicas (Pascual, Cembrero, Salas, & Pascual Martinez, 2008). Gracias a la problemática anteriormente expuesta del proceso de soldadura de fundición de hierro dúctil y conociendo el potencial de este material para nuevas aplicaciones, se genera la motivación del presente proyecto de grado.. 12.

(13) 1 1.1. Estado del Arte. ¿Qué es soldadura?. Messler define el proceso soldadura como “un proceso en el que materiales del mismo tipo o. clase fundamental son unidos, volviéndose uno a través de la formación de enlaces químicos primarios (y a veces secundarios) bajo la acción combinada de calor y presión” (Messler Jr, 1999). De la anterior definición, se deprenden varias ideas que vale la pena profundizar con el fin de comprender lo que se entiende por soldadura, y aclarar conceptos erróneos de lo que se entiende por este tipo de procesos. La primera idea es que la soldadura busca unir componentes de tal forma que se garantice continuidad entre los componentes a unir. La continuidad debe ser entendida como la no presencia de barreras físicas que separen los componentes unidos a nivel atómico (e.g un vacio). Es importante aclarar que la continuidad no significa obligatoriamente garantizar una homogeneidad química en la unión (e.g unión de fundición de hierro con plata) (Messler Jr, 1999). La segunda idea se refiera a que el termino soldadura no solo aplica para materiales metálicos, contrario a lo que establece la idea popular que siempre relaciona la soldadura con los materiales metálicos. La tercera idea, presenta el proceso de soldadura como el resultado de la aplicación de calor ó presión, ó de las dos en forma simultánea. Esta idea rompe otro paradigma popular en el que se cree que el proceso de soldadura únicamente implica fundir el material por la acción de una fuente de calor (Messler Jr, 1999). Como ejemplo, un proceso que une dos materiales por la acción de una presión, sin la necesidad de aplicar calor, se conocen como proceso de soldadura de estado sólido (Kou, 2003). Por último, en la definición de soldadura nunca se menciona la necesidad del uso de un material de aporte; esta es la cuarta idea que rompe con el paradigma popular de la soldadura (Messler Jr, 1999).. 13.

(14) 1.2. El Proceso de Soldadura Ideal. La soldadura vista como un proceso ideal, se resume a la naturaleza de los átomos de agruparse para alcanzar niveles de energía más bajos y por tanto más estables estables. La Gráfica 1 resume los fenómenos que ocurren para que los átomos alcancen a un estado estable, permitiéndoles así minimizar su energía (Messler Jr, 1999). Gráfica 1.. Curvas de fuerza y energía potencial que explica la formación de los enlaces atómicos (Raj, Shankar, & Bhaduri, 2006).. Cuando dos átomos o más están separados por una distancia infinita, se puede decir que no existe ninguna na fuerza de atracción o repulsión entre ellos. Sin embargo, cuando estos comienzan acercarse, aparecen fuerzas de atracción o repulsión entre los átomos. En otras palabras, estas fuerzas surgen a medida que la separación entre los átomos disminuye. Igualmente, la energía potencial por la separación de los átomos decrece (Messler Jr, 1999). 1999) Cuando las fuerzas de repulsión y atracción se compensan, forman una fuerza neta igual a cero, por lo tanto la energía interna neta es la mínima que puede existir. Esta situación se denomina distancia de equilibrio interatómico. Lo que sucede en esta distancia es que los átomos alcanzan un estado estable en su configuración electrónic electrónica, a, ya sea por compartir, ceder o adquirir 14.

(15) electrones, ó por el equilibrio de potenciales eléctricos (Messler Jr, 1999). En últimas lo que está sucediendo es la formación de enlaces atómicos primarios o secundarios, tal como se estudia en un curso básico de ciencia de los materiales. Por tanto la tendencia de los átomos a formar enlaces es básica para entender el proceso de soldadura, tal como se estableció en la definición de soldadura. Entonces una soldadura ideal es aquella e en n la que se transporta cada uno de los respectivos átomos de los componentes a la distancia interatómica de equilibrio, por medio de la aplicación de temperatura y presión, de tal manera que se generen los enlaces atómicos que garanticen la continuidad en la unión (Figura 1).. Figura 1. Ejemplo de una perfecta unión soldada (Raj, Shankar, & Bhaduri, 2006). 2006). 1.3. El Proceso de Soldadura Real. Los materiales y procesos reales traen consigo una serie de características que generan defectos en la interface de los componentes, creando así barreras entre los materiales, y por tanto la unión real no consigue la formación de enlaces en cada uno de los átomos expuestos. Existen varias razones por las que no ocurre una unión ideal, a continuación se mencionan algunas de ellas. Los materiales son irregulares tanto a la escala microscópica y como a la macroscópica. Esto implica que e dos materiales nunca serán perfectamente planos, por lo que no todos los planos están en contacto los uno con los otros, solo una reducida parte se encuentran igualmente unidos. Por otra parte, cuando el material no tiene una superficie perfectamente limpia, pia, lo que en realidad se tiene son barreras que le impiden la aproximación a los átomos. Algunas de las barreras que se encuentran sobre las superficies de los materiales reales son los óxidos, grasas, humedad, etc (Messler Jr, 1999). Los anteriores problemas limitan la unión entre átomos y esta solo se da en uno por cada billón de átomos, siendo necesario preparar las superficies a soldar. A pesar que la preparación se 15.

(16) realice cuidadosamente, siempre quedan discontinuidades en la unión, y es así como realmente se ve una soldadura (Raj, Shankar, & Bhaduri, 2006). 1.4. Proceso de Soldadura por Fusión. Los procesos de soldadura por fusión son aquellos en los que se llevan los materiales a unir a una temperatura por encima del punto de fusión -o de líquidus para el caso de una aleación-, para generar una disolución de los materiales en estado líquido, permitiendo garantizar la continuidad en la unión. Este proceso puede o no requerir de un material de aporte para rellenar el espacio entre los materiales o para garantizar la continuidad de la unión (e.g. cuando se requiere unir materiales disimiles). También es importante mencionar, que estos procesos generan gradientes de temperatura, obteniéndose zonas con diferentes microestructuras y por tanto, con variaciones de sus propiedades mecánicas (Messler Jr, 1999). Los procesos de soldadura por fusión se dividen de acuerdo a la fuente de energía utilizada para unir los materiales. Según lo anterior los proceso de soldadura por fusión se dividen en tres grupos: soldadura a gas, soldadura por arco eléctrico y soldadura de alta energía. El primer grupo usa la combustión de gases como fuente de calor. El segundo utilizan diferencias de potencial eléctrico para fundir el material. El último grupo, utiliza un haz de alta energía (e.g. un rayo laser) para fundir el material. El orden anteriormente mencionado también se aplica para catalogar los procesos según su eficiencia y por tanto su costo. Es así, que los procesos menos eficientes son los que usan la combustión de gases, pero a su vez son los más económicos; mientras que los de alta energía son los más costosos pero también más eficientes (Kou, 2003). 1.4.1 Proceso de Soldadura por Arco Eléctrico con Electrodo Protegido (SMAW) Este es uno de los procesos denominados de soldadura por arco eléctrico. Esta técnica funde y une las piezas a través de un arco que es formado por un electrodo consumible y la pieza de trabajo (Figura 2). Es decir, que la pieza de trabajo va conectada a uno de los terminales de la fuente eléctrica y el otro terminal se conecta a una pinza portando el electrodo. Como se dijo anteriormente, el electrodo es de tipo consumible, lo que significa que funciona como un material de aporte, para rellenar el vacío entre las piezas. Estos electrodos poseen un recubrimiento que se consume al mismo tiempo que el material de aporte creando así una atmosfera inerte sobre el sitio de la unión protegiéndola de la oxidación. Otros beneficios del recubrimiento son: funciona como desoxidante para limpiar la soldadura; ayuda a la. 16.

(17) estabilización del arco, aumenta la conductividad, haciendo que el flujo de electrones sea más suave; y finalmente contiene aleantes que mejoran las propiedades de la unión (Kou, 2003).. Figura 2.. Ilustración del proceso SMAW y detalle del proceso de deposición de material.. 1.4.2 Uniones por SMAW de Fundiciones de Hierro Las fundiciones de hierro son materiales difíciles de soldar debido a la gran variedad de microestructuras que poseen. Esto es cierto hasta el punto que hay fundiciones que se consideran imposibles de soldar, tales como los hierros blancos. Las principales aplicaciones de la soldadura en las fundiciones de hierro son las siguientes: Reparar o mejorar algunos defectos de fundición, .Segundo, reparar fundiciones averiadas o desgastadas. Y finalmente, para unir piezas de fundición para ensamble de componentes (Davids, 1996). Antes de discutir los parámetros relevantes del proceso SMAW, aplicado a las fundiciones de hierro, es importante abordar el cambio microestructural que se genera en una fundición de. 17.

(18) so que implique el uso de un arco eléctrico como fuente de calor. En hierro para cualquier proceso este proceso de unión, se identifican cuatro zonas: material base, zona afectada por el calor (ZAC), zona parcialmente fundida, y zona de fusión o de metal soldado Figura 3 (Davids, 1996) (Pascual, Cembrero, Salas, & Pascual Martinez, 2008) 2008).. Figura 3.. Esquema de las zonas afectadas por la temperatura en una fundición de hierro (Davids, 1996). 1996). La zona del material base es aquella en la cual que la temperatura no sobre pasa la temperatura de transformación euctectoide. Por tanto no hay cambios sustanciales en la microestructura del material. Para el caso de una fundición de hierro nodular perlítica la microestructura consta de grafita en forma de nódulos, ferrita rodeando la grafita y de una fase perlítica, actuando como matriz (Davids, 1996) (Pascual, Cembrero, Salas, & Pascual Martinez, 2008) 2008). La zona afectada por el calor (ZAC) es aquella en la cual la temperatura se encuentra por encima de la temperatura euctectoid euctectoide e (727°C) y por debajo de la temperatura eutéctica (1148°C). Esto hace que la perlita y la ferrita se transformen en austenita. Debido a que esta zona se enfría muy rápidamente, se produce un cambio de fase de austenita a martensita, lo que significa un endurecimiento ndurecimiento y fragilización de esta zona. Por tanto después de un proceso de soldadura es recomendable realizar un tratamiento térmico de revenido con el fin de mejorar la ductilidad y disminuir la dureza. Algunas de las técnicas utilizadas para reducir esta zona, es precalentar a baja temperatura y utilizar electrodos de pequeño diámetro (Davids, 1996) (Pascual, Cembrero, Salas, & Pascual Martinez, 2008) 2008).. 18.

(19) La zona parcialmente fundida es la que presenta mayores dificultades en proceso de soldadura de fundiciones de hierro. Esta se encuentra entre la temperatura eutéctica y la de líquidus. En esta zona la temperatura es suficientemente elevada como para disolver el carbono de la grafita. Debido a que el enfriamiento de esta zona es rápido, el líquido solidifica en forma de como redes de carburos, es decir como una estructura similar a la del hierro blanco. Por tanto debe esperarse que la dureza de una unión soldada sea máxima en esta zona, y al mismo tiempo sea de muy baja tenacidad. Esto es la razón por la cual la mayoría de las fallas presentadas en las soldaduras por arco ocurren por la propagación de grietas en esta zona (Davids, 1996) (Pascual, Cembrero, Salas, & Pascual Martinez, 2008). Por último, la zona de metal fundido es tal que el material se encuentra en estado líquido. La microestructura de esta zona depende totalmente del material de aporte que se utilice, ya que una pequeña cantidad de la fundición de hierro se disuelve en esta zona (Davids, 1996). El principal parámetro a definir al realizar un proceso SMAW en una fundición de hierro nodular es el electrodo a utilizar. Los demás parámetros como la corriente, el voltaje, el proceso de precalentamiento y demás factores dependen exclusivamente del electrodo utilizado para la unión. Los electrodos utilizados para fundiciones de hierro se clasifican en cinco grupos según su composición: electrodos de fundición de hierro, de acero, de acero inoxidable, de níquel y de cobre (ASM, 1993). Los electrodos de fundición proveen una composición química y propiedades mecánicas muy similares a las de la aleación original. Como desventaja, estos electrodos producen mayores zonas de material parcialmente fundido lo que se traduce en la fragilización del componente (Davids, 1996). Los electrodos de acero son normalmente utilizados en la corrección de los defectos de fundición de las piezas. Las uniones tienen una dureza similar a la del material base por lo que son fácilmente maquinales. El inconveniente que se presenta con este tipo de electrodos es debido a la diferencia notoria que existe entre los coeficientes de expansión y los coeficientes de transferencia de calor del acero y de las fundiciones de hierro. Gracias a esas diferencias, se generan gran cantidad de esfuerzos residuales y problemas de distorsión de las piezas traduciéndose en problemas de agrietamiento (Davids, 1996).. 19.

(20) Los electrodos de acero inoxidable brindan buena resistencia a la corrosión, pero son propensos a formar gran cantidad de carburos de cromo que fragilizan la unión, por lo que no son utilizados normalmente (Davids, 1996). Los electrodos de níquel son los más utilizados para el proceso SMAW de piezas de fundición de hierro debido principalmente por dos razones principales: el níquel no es propenso a formar carburos como si lo son el hierro y el cromo. Por otra parte, cuando empieza la solidificación de la unión, el níquel expulsa el carbono promoviendo la agrupación del carbono en nódulos de grafita. Combinaciones de hierro y níquel son también populares debido a que combinan los beneficios de los electrodos de níquel con una composición más uniforme y con menores problemas de agrietamiento, por lo que son ideales para soldar piezas de fundición de gran tamaño (Davids, 1996). Finalmente, los electrodos de cobre brindan propiedades mecánicas inferiores a las del material por lo que normalmente no son usados para unir, sino para recubrir el material y hacerlo más conductivo y resistente a la corrosión (Davids, 1996). 1.5. Unión por Brazing. El Brazing es el proceso de unión no mecánico más antiguo que se conoce. Se tienen evidencia que los egipcios usaron aleaciones de cobre para unir piezas de oro y plata (AWS, 1991). La American Welding Society define brazing como “el grupo de procesos de soldadura que. produce la coalescencia de materiales por medio del calentamientos de las partes a una temperatura soportable por la pieza y usando un material de relleno con una temperatura de líquidus superior a los 450°C e inferior a la temperatura de sólidus del material base (AWS, 1991).” El proceso de Brazing se da por dos fenómenos principalmente: el mojado y el flujo de material (Figura 4). El mojado es necesario para asegurar un contacto íntimo entre las partes y el material base y para garantizar la formación de los enlaces necesarios para la unión. Por su parte el flujo de material es el que garantiza el llenado homogéneo de la cavidad de la unión. Debido a que estos dos fenómenos son los que garantizan las propiedades finales de la unión, es pertinente hacer una descripción sencilla de las fuerzas motrices de cada uno de los fenómenos (AWS, 1991).. 20.

(21) Figura 4.. Esquema de una unión por brazing (AWS, 1991).. El mojado depende principalmente de dos variables termodinámicas que son la energía libre de superficie y la energía libre de formación de fases. El fenómeno de mojado puede ser ilustrado por medio de una gota de líquido que se encuentra sobre una superfic superficie ie solida plana (Figura 5). La forma que toma el la gota de liquido se caracteriza por un ángulo de interface entre la superficie del sólido y la periferia de la gota. Si el ángulo se encuentra entre 0° y 90° se entiende que el balance entre la energía libre de superficie y de cambio de fase se encuentra en una relación tal que se favorece la atracción entre el material líquido y el sólido. Lo anterior indica que teóricamente amente se presenta el fenómeno de mojado; experimentalmente se ha convenido que un ángulo de interface de entre 10° y 45° es ideal para asegurar un mojado adecuado en un proceso de Brazing. En el caso en que el ángulo de interface es superior a 90° se entiende ende que los materiales no son afines y por tanto no hay formación de enlaces, favoreciendo la formación de superficies aislantes (AWS, 1991); (Schwartz, 1995). 1995). Figura 5. Fenómeno de mojado a) situación en la que no se presenta mojado b) situación ideal para el mojado (AWS, 1991).. 21.

(22) Por otra parte, la fuerza motriz del flujo de material es la fuerza capilar. La fuerza capilar se debe a la tendencia que tiene un líquido a rellenar espacios libres para disminuir la presión a la que está sometido. Esta fuerza depende de la viscosidad y densidad del metal fundido y de la geometría de la unión (Schwartz, 1995). Para que este proceso se pueda dar se requiere de la elección de tres parámetros básicos: las superficies a unir deben ser lo más limpias posibles y sin presencia de óxidos, por lo que un proceso de preparación de superficies debe ser seleccionado; la unión debe ser correctamente diseñada de tal manera que se garantice el flujo del material de aporte; y finalmente se debe seleccionar un medio de calentamiento que garantice la homogeneidad en el proceso de unión (AWS, 1991). La selección de estos parámetros para las fundiciones de hierro serán tratados más adelante. 1.5.1 Proceso de Brazing en Horno Entre los procesos de Brazing en Horno se agrupan todos aquellos en los que la fuente de calor para la fundición del material de aporte es un horno, y preferiblemente el proceso se da en una atmosfera controlada que evita la formación de productos no deseados en la unión. En una descripción general, el proceso consiste de pre-posicionar el aro de material de aporte en la unión; se procede entonces a introducir la pieza en el horno bajo unas condiciones controladas de temperatura, tiempo de exposición y atmosféricas que garanticen la formación adecuado de la unión; finalmente se enfría el ensamble de manera controlada con el fin de evitar problemas de distorsión y cambios microestructurales bruscos (Figura 6); (ASM, 1993).. Horno Mat. relleno. Mat. Relleno fundido. Mat. relleno. Flujo Mat. relleno. Filete. Figura 6. Proceso de Brazing en horno: posicionamiento del material de aporte en la unión, fundición del material de aporte y flujo del mismo, y la unión final (ASM, 1993).. 22.

(23) Las principales ventajas del proceso son (ASM, 1993): •. Las variables del proceso pueden ser fácilmente controladas asegurando la repetitividad del proceso.. •. La ejecución del proceso no requiere de personal altamente entrenado, una vez se hayan establecido correctamente las operaciones a realizar.. •. Al haber un calentamiento uniforme del ensamble se minimizan problemas de distorsión; al igual que se pueden ejecutar tratamientos térmicos al mismo tiempo que la unión es realizada.. •. Es un proceso de fácil automatización por lo que se puede garantizar la producción en linead de uniones por este método.. Las desventajas del proceso son (ASM, 1993): •. Los hornos y automatización del proceso pueden tener costos elevados.. •. Todo el ensamble debe ser calentado por lo que el costo energético es mayor comparado a procesos localizados.. •. Debido a que no se pueden hacer ajuste en la unión durante el proceso, el diseño de la unión debe ser preciso lo que significa mayores costos de preparación.. 1.5.2 Uniones por Brazing de Fundiciones de Hierro Las uniones por Brazing de piezas de fundición de hierro nodular tienen dos consideraciones especiales: la adecuación previa de la superficie para remover las grafita y óxidos que se encuentra en la superficie a unir y la temperatura del proceso debe ser mantenida los más baja posible con el fin de impedir la perdida de propiedades mecánicas del componente (AWS, 1991). Para la limpieza y adecuación de la superficie se utiliza comúnmente uno de las siguientes técnicas:. 23.

(24) •. Limpieza por llama: Esta técnica consiste en pasar una llama de oxietileno rica en oxigeno que sirve tanto para eliminar residuos de grasas sobre la superficie, como para oxidar el carbono que se encuentra en forma de grafita en la superficie (AWS, 1991).. •. Limpieza con químicos: Este método utiliza un baño de sal de Nitrato de Sodio ó Potasio a una temperatura de 660°C. Se introduce la parte de la pieza a descarburizar y se deja por quince minutos. Aparte de la descarburización se produce la oxidación del hierro por lo que se debe someter la pieza a un baño acido (AWS, 1991).. •. Limpieza por chorro de metal: Consiste en la aplicación de un chorro de partículas de Níquel a alta presión que desplaza la grafita presente en la superficie. El chorro también deja una cubierta de metal que facilita el mojado de las piezas (Davids, 1996).. •. Limpieza electrolítica: Es el método más eficaz. Consiste en sumergir la pieza en un baño de sales a una temperatura de 860°C, al tiempo que se induce una corriente eléctrica entre la pieza y el crisol en el que se hace el baño. El carbono es liberado como Monóxido de Carbono al interactuar con las sales. El proceso toma pocos minutos y garantiza una homogeneidad y descarburización máxima (AWS, 1991).. El peligro de la temperatura alta para las fundiciones nodulares se debe a la deformación que sufren los nódulos de grafita a temperaturas superiores a los 760°C. A esa temperatura los nódulos se vuelven amorfos hasta que finalmente se segrega todo el carbono sobro la matriz. Este cambio de morfología es el que explica la perdida de las propiedades mecánicas (AWS, 1991). Otros dos parámetros a definir en el proceso de Brazing de fundiciones de hierro son el material de aporte y el diseño de la unión. El material de aporte normalmente se utiliza en forma de alambre, el cual se pone entre o sobre la el claro de la unión. Los materiales utilizados son tres (ASM, 1993): •. Plata: se caracteriza por un punto de fusión bajo que previene la pérdida de propiedades mecánicas del material base al tiempo que disminuye los problemas de distorsión. La desventaja de este material es su elevado costo comparado con los de más materiales utilizados. 24.

(25) •. Níquel: se usa tanto como aleantes con la plata o como elemento principal en el alambre. Como aleante de la plata, mejora mojado en las uniones entre dos piezas de fundición. Por su parte, los alambres de Níquel se usan cuando las propiedades mecánicas de la unión son críticas o cuando se desea unir una parte de fundición de hierro con una parte de un material diferente. La desventaja de este material es su elevado punto de fusión.. •. Cobre: este material se usa cuando las propiedades mecánicas no son un punto crítico y cuando se quiere minimizar costos. Al igual que el Níquel, el elevado punto de fusión del cobre es su principal desventaja.. 25.

(26) 2. Materiales y Metodología. En esta sección, se realizara una descripción de los materiales utilizados en la ejecución de esta investigación, al igual que se explicara la metodología seguida para el desarrollo del trabajo, detallando los procedimientos experimentales desarrollados. En la parte final, se explica el proceso de unión por arco eléctrico con electrodo protegido, cuya planeación y ejecución fue desarrollada por el autor. 2.1. Materiales. El componente utilizado en el desarrollo de esta investigación es de forma tubular manufacturado por medio de un proceso de fundición en arena. El material fue suministrado por una empresa que trabaja con fundiciones de hierro nodular. El material entregado se dividió en tres conjuntos. El primer consiste de un tubo, el cual se utilizara para la caracterización del material base (Figura 7). El segundo conjunto consta de dos tubos unidos por medio de un proceso de Brazing (Figura 8). El material de aporte utilizado fue una aleación de plata, la cual no está plenamente identificada. Por último, el tercer grupo consiste de dos secciones de tubo, los cuales tienen un bisel a 45° en cada uno de los bordes (Figura 9). Este material fue destinado para la unión mediante el proceso SMAW. Las especificaciones geométricas de los tubos de cada uno de los grupos se listan en Tabla 1.. Unión por Brazing. Figura 7. Tubo para estudio del material base.. Figura 8. Tubo unido por el proceso de Brazing. 26.

(27) Bisel. Figura 9. Tubos biselados para el proceso SMAW.. Tabla 1. Especificaciones geométricas del material utilizado.. Valor (mm) Diámetro Exterior. 275. Espesor de Pared. 14,3. Material Base Longitud. Tubo Brazing Tubo SMAW. 2.2. 180 300 150. Metodología. Este proyecto se dividido en tres etapas: (1) caracterización del material base (fundición de hierro nodular perlítico); (2) análisis de las uniones soldadas por los procesos de Brazing y Soldadura por Arco con Electrodo Protegido (SMAW); por último, (3) comparación de los dos procesos de unión. 2.2.1 Caracterización del Material Base. En esta etapa se busca identificar la fundición de hierro nodular utilizada. Para esto se requiere llevar a cabo una serie de ensayos en la caracterización del material (ASM, 1996). . El primer ensayo a realizar es un análisis de composición química, el cual es importante para la identificación de los diferentes aleantes presentes, que puedan llegar a influir en la. 27.

(28) microestructura del material. Como segunda prueba, se realiza un análisis Metalográfico para identificar las fases y morfologías presentes en el material antes de ser soldado. Este análisis se llevara a cabo por medio de las técnicas de microscopia óptica y microscopia electrónica de barrido (SEM). Por último, para obtener información acerca de las propiedades mecánicas del material, se desarrollaran ensayos de dureza, microdureza y tensión. Establecer las propiedades mecánicas permite más adelante definir si la falla del componente soldado se da por la unión o por fractura del material base. 2.2.2 Análisis de las Uniones Soldadas por los Procesos de Brazing y SMAW En la segunda etapa se recolectara la información del material soldado, con el fin de establecer las características de cada uno de las dos técnicas utilizadas. Para el proceso de soldadura capilar se utilizo como material de aporte la plata y para el proceso SMAW se uso un electrodo de Níquel 60. Esta etapa de evaluación de los dos procesos se estudiaran en dos puntos: Análisis microestructural del área afectada por la soldadura en cada uno de los procesos y desarrollo de pruebas para evaluar la integridad de la unión. El análisis microestructural del área afectada por la soldadura busca compilar información de los cambios ocasionados por los procesos de soldadura desde el punto de vista metalúrgico. Para ello, es necesario preparar muestras metalográficas tomadas de forma aleatoria de cada uno de los cordones de soldadura. En cada espécimen se analizaran las diferentes zonas de la unión, tratando de identificar los cambios microestructurales y nuevas fases generadas por cada uno de los procesos. La observación y estudio de las muestra se realizara por medio de las técnicas de microscopia óptica y SEM. Adicionalmente, se requieren tomar perfiles de microdureza sobre las muestras para establecer algunas conexiones entre los cambios de las propiedades mecánicas y las diferentes zonas de la región afectada por las soldaduras. Con las pruebas de evaluación de la integridad de las uniones, se buscara reunir información que permita establecer deficiencias en los procedimientos desarrollados, al igual que del comportamiento mecánico de las soldaduras. Todo esto con el fin de deducir el comportamiento futuro de las uniones e identificar posibles causas de falla. Esta parte requerirá de diferentes tipos de ensayos, los cuales podemos agrupar en dos familias: ensayos no destructivos y ensayos destructivos.. 28.

(29) Los ensayos no destructivos servirán para identificar algunas imperfecciones causadas durante el proceso que pueden ayudar a predecir y explicar parte del comportamiento mecánico del material soldado. Los análisis que se agrupan en esta parte son la inspección visual y el análisis de tintas penetrantes. Los ensayos destructivos necesarios para estimar las propiedades mecánicas del material soldado son: ensayos de tensión y de flexión. El ensayo de tensión busca establecer la resistencia mecánica de la unión, es decir, su capacidad para soportar cargas. Por su parte el ensayo de flexión establece el rango de deformación permitida por cada una de las uniones. 2.2.3 Comparación de los Dos Procesos Con la comparación de los dos procesos se busca cruzar la información adquirida en las etapas previas, con el fin de establecer las relaciones entre los cambios metalúrgicos sufridos en la fundición de hierro nodular perlítico y las propiedades mecánicas de la fundición de hierro. Las relaciones que se determinen, permitirán concluir cual de los procesos entrega los mejores resultados al momento de soldar este tipo de materiales. 2.3. Descripción de los Ensayos y Pruebas. Con el fin de garantizar la repetitividad y comparabilidad de los datos obtenidos en esta investigación, se hace una descripción detallada de los procedimientos seguidos en cada uno de los ensayos desarrollados. 2.3.1 Inspección Visual Los ensayos de inspección visual se realizaron sobre los materiales soldados con el fin de constatar el estado el cual que fue entregado el material, además de identificar defectos producidos durante la unión del material base. La ejecución de estas pruebas siguió los lineamentos sugeridos por el ASM Handbook volumen 17, referente a la ejecución de ensayos no destructivos y control de calidad (ASM, 1992). La inspección visual de los cordones se realizo en dos etapas. La primera consistió en el estudio de la parte externa del cordón. Esta inspección se desarrollo a base de simple observación. La segunda inspección de un corte transversal sobre el cordón. Esta se ejecuto sobre los cortes realizados para extraer las probetas de los respectivos ensayos mecánicos. Para este análisis se uso un Estereomicrscopio Olympus SZX-9.. 29.

(30) 2.3.2 Tintas Penetrantes Este ensayo busca identificar defectos sobre el cordón de soldadura tales como porosidades, grietas, problemas de penetración, etc. El análisis se realizo sobre todo el cordón de soldadura. La técnica utilizada fue la de líquidos penetrantes visibles y removibles con solvente. El procedimiento seguido es el estipulado en la norma técnica ASTM E1220 (ASTM, 2005). 2.3.3 Análisis de Composición Química El análisis de composición química se realizo por la técnica de Espectrometría de Emisión Óptica – o de quema por chispa-. Este ensayo se desarrollo únicamente sobre la muestra del material base. El equipo utilizado para la ejecución de esta prueba es un espectrómetro ARL 3520 OES. 2.3.4 Preparación de Muestra Metalográficas Se prepararon muestra metalográficas para el material base como para los cordones de Brazing y de SMAW. El proceso de preparación metalográfica siguió el procedimiento estándar, descrito en la norma ASTM E3 (ASTM, 2001), pasando por las etapas típicas de corte, embebido, pulido y ataque. El ataque químico se realizo según las especificaciones de la norma ASTM para micro-ataque de aleaciones metálicas E407 (ASTM, 2007). La Tabla 2 resume los reactivos de utilizados para cada uno de los casos. Tabla 2. Reactivos utilizados para el ataque de las muestras metalográficas (Vander Voort, 2000).. Reactivo. Modo Aplicación. Tiempo de Aplicación. Nital al 3%. Inmersión. 25 segundos. 5% Acido Acético + 10% Acido Nítrico + 85% Agua. Frotado. 15 segundos. Muestras Atacadas Material Base Unión Brazing Parte Ferrosa SMAW Parte No-Ferrosa SMAW. 2.3.5 Microscopia Óptica Esta técnica de observación se utilizo para el análisis Metalográfico de las tres muestras. Para el desarrollo de esta técnica, se utilizo un microscopio Olympus BX51M. Todas las observaciones se realizaron con la técnica de Luz reflejada y campo claro. Los aumentos utilizados para la observaciones son: 100X, 200X, 500X y 1000X. Por último, se siguieron las sugerencias. 30.

(31) propuestas para el análisis Metalográfico por microscopia óptica estipuladas en el Volumen 9 del ASM Handbook (ASM, 2004). 2.3.6 Microscopia Electrónica de Barrido La técnica SEM fue utilizada tanto para el análisis Metalográfico de las muestras, como para el análisis fractográfico de la unión por Brazing. En ambos casos, el equipo utilizado es un Microscopio Electrónico de Barrido FEI Quanta 200. Los aumentos utilizados variaron entre 40X y 12000X. 2.3.7 Dureza Este ensayo se realizo solo en la etapa de caracterización del material base. El ensayo se hizo en dos escalas diferentes de dureza: la Rockwell B y la Brinell. La escala Rockwell B se utilizo para las indentaciones en la dirección transversal. La escala Brinell fue utilizada para las indentaciones en la dirección longitudinal. Esta escala fue utilizada debido a la alta rugosidad. Los procedimientos seguidos para los ensayos de dureza son los descritos en las normas ASTM E10, para el caso de la escala Brinell (ASTM, 2007), y la ASTM E18 para la escala Rockwell B (ASTM, 2008). Los equipos utilizados en la ejecución de los ensayos de dureza son Durómetro Portátil Wilson Brinell PB A 9613 y el Durómetro Rockwell Wilson Series 600. 2.3.8 Microdureza El ensayo de microdureza se llevo a cabo en dos modalidades diferentes. La primera fue en indentaciones aleatorias, para la identificación y caracterización de las fases presentes en el material base. La segunda consistió en la elaboración de perfil de dureza sobre las uniones por Brazing y SMAW, con el fin de identificar y caracterizar los cambios microestructurales en los cordones. El procedimiento seguido para la ejecución de los ensayos fue el indicado en la norma ASTM E384 (ASTM, 2008). El equipo utilizado para las pruebas fue un Microdurómetro Buehler MicroMet 5105. 2.3.9 Ensayo de Tensión Los ensayos de tensión se hicieron sobre los tres conjuntos de material analizados. Los ensayos se hicieron bajo condiciones atmosféricas controladas1, y siguiendo el procedimiento establecido por la norma ASTM E8 (ASTM, 2004). Las pruebas se realizaron en una maquina universal de 1. Las condiciones del laboratorio son -23°C de temperatura y 50% de humedad relativa.. 31.

(32) ensayos Instron 5586, a una velocidad de muestreo de 3 puntos/segundo y una velocidad de 5 mm/minuto. Las medidas de las probetas tanto del material base como de las uniones se muestran en las Figura 10 y Figura 11.. Figura 10. Probeta de tensión del material base.. Figura 11. Probeta de tensión de los procesos de unión.. 2.3.10Ensayo de Flexión Este ensayo se realizo sobre las muestras de los procesos de unión y busca medir la ductilidad de las uniones. El procedimiento seguido es el especificado en la norma ASTM E190 para flexión en soldaduras (ASTM, 2003). La maquina utilizada para los ensayos es la Maquina Universal de Ensayos Instron 5586. La velocidad del punzón seleccionada es de 5 mm/minuto y una velocidad de muestreo de 3 puntos/segundo. Por último, las especificaciones de las probetas utilizadas se resumen en la Figura 12.. 32.

(33) Figura 12. Probeta de flexión del material soldado.. 2.4. Diseño y Ejecución del Proceso de Soldadura por Arco con Electrodo Protegido. El primer paso en el proceso fue seleccionar el electrodo a utilizar. Para esto se buscaron artículos acerca de la soldabilidad de las fundiciones de hierro nodular, donde se encontró que el electrodo que mejores resultados entrega es el AWS ENiFeCI (El-Banna, Nageda, & Abo ElSaadat, 2000), que comercialmente en Colombia es conocido como el electrodo Níquel 60. Las dimensiones del electrodo utilizado son 3,2 mm de diámetro y 350 mm de longitud. La composición química del electrodo Níquel 60 de West Arco se resumen en la Tabla 3. Tabla 3. Composición química del electrodo Níquel 60 (% en peso) (West Arco).. Níquel 60. C. Su. Cu. Al. Mn. Si. Ni. Fe. 2,00máx.. ,03máx.. 2,50máx.. 1,00máx.. 1,00máx.. 4,00máx.. 45,0060,00. Balanceo. Nuevamente, para la selección de los parámetros del proceso de soldadura se consultaron artículos referentes al tema. Basado en esa información se escogió una corriente de 100A, y una entrada de calor de 0,81 kJ/mm (El-Banna, 1999). La temperatura de precalentamiento del material se selecciono teniendo en cuenta el carbono equivalente del material base, 4,57%, y las graficas de temperatura de no inducción de grietas por el calor. La temperatura seleccionada fue de 320°C, como se ve en la Gráfico 2.. 33.

(34) Gráfica 2: Rango de temperatura de precalentamiento para no agrietar el material (ASM, 1993).. 380 330. Temperatura °C. 280 230 180 130 80 30 -20. 2,5. 3,0. 3,5. 4,0 4,5 Carbono Equivalente, %. 5,0. 5,5. Para la aplicación de la soldadura se tuvo la colaboración de la empresa West Arco, la cual dispuso un soldador calificado en soldaduras de fundiciones de hierro, para la manufactura de dicho cordón Aunque el proceso consto de dos etapas: una de enmantequillado y la segunda correspondiente a la aplicación del cordón final; la aplicación de la soldadura en ambos casos es igual. Primero se precalentó la pieza a soldar hasta la temperatura anteriormente mencionada con la exposición directa a una llama producida por la mezcla de oxigeno y gas propano. La temperatura es medida con una tiza térmica sobre todo la muestra para garantizar la homogeneidad del calentamiento. Una vez alcanzada la temperatura se limpio la superficie con un cepillo metálico. Después, se aplico la soldadura en cordones con una longitud no mayor a 5 cm. Los cordones deben tener esta longitud debido a la poca penetración que tienen este tipo de electrodos (Davids, 1996) Cada cordón fue martillado justo después de ser aplicado, esto con el fin de disminuir los esfuerzos de contracción generados al enfriarse la soldadura (West Arco). Se procedió a cepillar la unión para remover la escoria. El ensamble se dejo enfría lentamente, aislado de toda corriente de aire, con el fin de evitar distorsión o agrietamiento.. 34.

(35) El proceso de enmantequillado consistió en tres pasadas por sección filete, como se muestra en la Figura 13. Se consumieron 24 electrodos en el proceso de enmantequillado. El tiempo invertido en este proceso fue de 3 horas, sin contar el tiempo de enfriamiento controlado. Se procedió nuevamente a maquinar el bisel con el fin de preparan el material para hacer la cordón definitivo. El cordón final consto de seis pasadas como se muestra en la Figura 14. El gasto de electrodos por unión fue de 22 electrodos y el tiempo total del proceso, sin contar el tiempo de enfriamiento, fue de 2 horas 30 minutos. Sumando tanto el enmantequillado como la aplicación del cordón final se gastaron un total de 46 electrodos. El tiempo total que tomo ejecutar la soldadura fue de 5 horas y 30 minutos.. Pasadas. 5. 4 2. 3. 1 Filete. Figura 13. Distribución de las pasadas en el proceso de enmantequillado.. Figura 14. Distribución de las pasadas en el cordón final del proceso SMAW.. 35.

(36) 3. Resultados y Discusión. A continuación se presentan y discuten los resultados obtenidos en cada una de las pruebas realizadas durante las diferentes etapas de la investigación. 3.1. Caracterización del Material Base. Los resultados y análisis de los datos obtenidos en los ensayos realizados sobre la sección de tubería que no fue sometida a ninguno de los procesos de unión se presentan a continuación. 3.1.1 Composición Química Los resultados obtenidos por el análisis de composición química (espectrometría de emisión óptica de chispa) se indican en el primer renglón de la Tabla 4. En el renglón dos de la misma tabla se muestran los rangos de valores comercialmente utilizados para una fundición de hierro nodular (Davids, 1996).. Tabla 4. Resultados de la composición química de la muestra analizada y valores normales para una fundición nodular (% en peso).. C. Si. Mn. P. S. Cu. Ni. Mo. Sn. V. Al. Mg. Pb. Tubo. 3,944. 2,091. ,4989. ,0086. ,0093. ,2558. ,0422. ,0282. ,0029. ,0037. ,0201. ,0163. ,1826. Fundición Nodular. 3,60 – 3,80. 1,80 – 2,80. ,15 – 1,00. ,03 máx.. ,002 máx.. ,15 – 1,00. ,05 ,20. ,01 ,10. ,08 máx.. ,005 máx.. ,05 máx.. 0,03 – ,08. El porcentaje de carbono de la muestra es superior a los valores comercialmente encontrados. De todas maneras el valor obtenido es menor al 4,00%, el cual es el límite máximo permitido para que favorezca la formación de una matriz perlítica. El contenido de silicio (Si) se encuentra en los rangos normales por lo que se espera una mayor formación de Grafita que de carburos. Por otra parte, el contenido de azufre (S) es superior a lo permitido lo que puede impedir la esferoidización de la Grafita. Los contenidos de fosforo (P) y manganeso (Mn) se encuentra en el intervalo permitido por lo que no se espera la fragilización del material. La presencia de trazas de cobre (Cu), níquel (Ni) y molibdeno (Mo) indican que la aleación puede ser endurecida con facilidad, por medio de tratamientos térmicos posteriores. Finalmente, los elemento que favorecen la formación de hojuelas se encuentran en cantidades adecuadas a excepción del plomo (Pb) el cual es nueve veces mayor que lo permitido (Davids, 1996); (Smith, 1993).. 36.