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ESTUDIO DE UNIONES SOLDADAS MEDIANTE PROCESO GMAW CON APORTE SÓLIDO Y APORTE TUBULAR

TESIS PARA OPTAR AL TITULO DE INGENIERO NAVAL CON MENCIÓN EN ARQUITECTURA NAVAL

PROFESOR PATROCINANTE SR: HECTOR LEGUE LEGUE Ingeniero Civil Mecánico Msc. Ingeniería Oceánica

FRANCISCO EMANUEL ALMONACID CAÑETE. VALDIVIA - CHILE 2016

RESUMEN: En el presente trabajo se estudiará el contraste producido mediante la variación entre los dos tipos de aporte correspondientes a la soldadura GMAW, aporte sólido y aporte tubular. Este trabajo analizará particularmente las uniones a tope para planchas de 12 mm en las combinaciones de: Acero A 131 – Acero A 131, Acero Inoxidable 316 L – Acero Inoxidable 316 L y Acero A 131 – Acero Inoxidable. Para dicho análisis de propiedades mecánicas se prepararán set de probetas para cada caso, con los ensayos de laboratorio correspondientes: doblez de cara y raíz, tensión transversal y Charpy V.

SUMMARY: The present work will analyze the contrast induced by the different wires that are available for the GMAW welding process, solid wire and tubular wire. This work will study specially the butt joints in 12 mm plates in the following materials: Steel A 131 – Steel A 131, Stainless Steel 316 L – Stainless Steel 316 L and Steel A 131 – Stainless Steel. For the analysis belonging to mechanical properties there will be sets of test made to the corresponding joints: face and root bend, transverse tensile and Charpy V-notch impact test.

AGRADECIMIENTOS: En primer lugar quisiera agradecer a mis padres: Francisco y Elizabeth. Por su amor, dedicación, sobre todo paciencia y por darme la oportunidad de convertirme en un profesional. Al departamento de producción y soldadura de Asenav S.A., en especial a los Sres. Oscar Carmona, Rene Mardones, Juan Carlos Pradines y en especial al Sr. Edwin Olivares por su gran disposición de ayudar en este proyecto. A mis profesores, en especial al Sr. Hector Legue por guiarme en este proceso final de formación académica.

ÍNDICE

CAPÍTULO I

CAPÍTULO II

INTRODUCCIÓN CONCEPTOS BASICOS 1.1 EQUIPO DE SOLDADURA 1.1.1 FUENTE DE ENERGIA 1.1.2 FUENTE DE SUMINISTRO DE GAS 1.1.3 SISTEMA ALIMENTACION DE ALAMBRE 1.1.4 PISTOLA 1.2 PROCESO GMAW 1.2.1 NOCIONES BÁSICAS 1.2.2 SOLDADURA SEMI AUTOMATICA 1.2.3 SOLDADURA AUTOMATICA 1.2.4 SOLDADURA ROBOTIZADA 1.3 PARAMETROS DE SOLDADURA 1.3.1 TENSION 1.3.2 VELOCIDAD DE ALIMENTACIÓN 1.3.3 STICK OUT 1.3.4 VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO 1.3.5 POLARIDAD 1.3.6 ANGULO DE DESPLAZAMIENTO 1.3.7 GAS DE PROTECCIÓN 1.4 MATERIAL DE APORTE 1.4.1 APORTE SOLIDO 1.4.2 APORTE TUBULAR FABRICACIÓN PROBETAS 2.1 MATERIAL BASE 2.1.1 ACERO AL CARBONO 2.1.2 ACERO INOXIDABLE 2.2 SOLDADOR 2.3 MAQUINA SOLDADORA 2.4 PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA 2.5 UNIONES SOLDADAS 2.5.1 UNIONES CON APORTE TUBULAR 2.5.1.1 A 131 - A131 2.5.1.2 316L - 316L 2.5.1.3 A 131 - 316L 2.5.2 UNIONES CON APORTE SOLIDO 2.5.2.1 A 131 - A131 2.5.2.2 316L - 316L 2.5.2.3 A 131 - 316L 2.6 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS

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CAPÍTULO III

CONLUSIONES BIBLIOGRAFÍA ANEXOS

2.6.1 RADIOGRAFIA DIGITAL 2.7 MAQUINADO PROBETAS 2.8 DIMENSIONES DE LAS PROBETAS 2.8.1 DOBLEZ DE CARA Y RAIZ 2.8.2 TENSION TRANSVERSAL 2.8.3 CHARPY V ENSAYOS DE LABORATORIO 3.1 RESULTADOS OBTENIDOS 3.1.1 DOBLEZ DE CARA Y RAIZ 3.1.2 TENSION TRANSVERSAL 3.1.3 CHARPY V 3.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS

26 35 42 42 43 44 45 45 45 47 50 51 55 56 57

INTRODUCCIÓN: Las uniones soldadas se encuentran presentes en toda embarcación mercante fabricada en acero en sus diferentes procedimientos normalizados existentes. La calidad de estas es un punto intransable dentro del control de calidad en los diferentes astilleros a nivel mundial, con el fin de asegurar la resistencia de estas uniones frente a los diferentes esfuerzos a los cuales son sometidos dependiendo del perfil de navegación correspondiente a la embarcación. La soldadura MIG introducida a finales de 1940, es un proceso de soldadura al arco, donde la fusión se produce por calentamiento a través de un arco generado entre el electrodo y la pieza, el arco generado cuenta con una atmosfera de gas la cual protege el metal líquido de la contaminación atmosférica ayudando a estabilizar el arco, además de contar con una alimentación constante y automática del material de aporte La presente tesis tiene como fin analizar en laboratorio los procedimientos de uniones de casco mediante soldadura MIG en aceros al carbono y acero inoxidable con aporte sólido y tubular correspondientemente.

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CAPÍTULO I: CONCEPTOS BÁSICOS 1.1 EQUIPO DE SOLDADURA:  Fuente de energía: Debido a la necesidad de mantener una longitud de arco constante, la fuente de energía debe mantener una tensión constante, ya que de esta manera al utilizar una velocidad de alimentación de aporte pre establecida, se logra mantener la longitud del arco constante, como se muestra a continuación:

Diagrama longitud de arco y stick out Fuente: www.weldinginfocenter.org

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 Fuente de suministro de gas: El suministro de gas parte desde la botella de almacenamiento en donde se encuentra este almacenado a alta presión, a la cual se le ha instalado en su salida un regular para poder medir el caudal de gas de protección necesario para garantizar una adecuada protección de la soldadura.

Diagrama suministro de gas Fuente: www.indura.cl

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 Sistema alimentación de alambre: A diferencia de otros tipos de soldadura, en la soldadura MIG el material de aporte es alimentado automáticamente por el equipo, previa regulación por parte del soldador. La unidad de alimentación de alambre entrega el material de aporte a través de la pistola, dicha unidad consta de las siguientes partes: 1. 2. 3. 4. 5.

Bobina de Alambre Guía del alambre Rodillo de arrastre Rodillo de presión Boquilla de salida de alambre

Diagrama sistema de alimentación Fuente: Soldadura semiautomática con gas de protección (MIG/MAG), Lincoln Electronic

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 Pistola: La pistola para soldadura MIG consta de una geometría compleja. Debido a la necesidad de suministrar material de aporte, transmitir corriente y gas de protección a través de esta.

Despiece pistola Fuente: www.mersud.cl

Diagrama boquilla Fuente: Manual de sistemas y materiales de soldadura, Indura

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1.2 PROCESO GMAW:  Nociones básicas: La soldadura por arco con hilo electrodo fundible y protección gaseosa inerte (MIG), utiliza como material de aporte un hilo de electrodo continuo, el cual se alimenta automáticamente a través de la pistola de soldadura a una velocidad pre establecida y regulada por el soldador. El arco generado en este proceso se encuentra totalmente protegido por una atmosfera generada mediante el gas protector suministrado mediante la pistola.  Soldadura semi automática: La alimentación de alambre, corriente de soldadura y suministro de gas se regulan a valores correspondientes y funcionan automáticamente, el soldador tendrá que sostener la pistola y desplazarla manualmente a lo largo del cordón, manteniendo la inclinación, longitud del arco y avance correspondiente.

Ejemplo soldadura semi automática Fuente: www.castolin.com

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 Soldadura automática: La alimentación de alambre, corriente de soldadura, suministro de gas, velocidad de desplazamiento además de los otros parámetros correspondientes se regulan previamente. En este caso el soldador se transforma en un operario de la máquina, la cual realizará los cordones de soldadura solo con influencia externa del operador.

Ejemplo soldadura automática Fuente: www.directindutry.es

 Soldadura robotizada: Los parámetros de soldadura y coordenadas se programan mediante una unidad CNC, la cual procederá mediante un brazo mecánico a realizar la unión.

Ejemplo soldadura robotizada Fuente: www.directindutry.es

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1.3 PARAMETROS DE SOLDADURA:  Tensión: También denominada “Voltaje”, la transferencia de esta se realiza a través del alambre, pero su distribución es desigual. Aproximadamente el 90% se concentra en el arco y tan solo un 10% en el alambre.

Distribución de tensión en el arco Fuente: Soldadura semiautomática con gas de protección (MIG/MAG), Lincoln Electronic

Otros parámetros influyentes son la velocidad de alimentación y la tasa de deposición del material, los cuales afectan directamente a la intensidad necesaria para el procedimiento. En el primer caso, mientras mayor sea la velocidad de alimentación del material de aporte, será necesaria una mayor intensidad al momento de soldar. Junto con esto, mientras mayor sea la intensidad, más rápida se producirá la fusión del material y por lo tanto la deposición, lo que nos lleva a la siguiente relación de parámetros:

Equivalente a: Intensidad Velocidad de alimentación de alambre Velocidad de fusión Tensión Longitud del arco Tabla influencia intensidad y tensión Fuente: Elaboración propia

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 Velocidad de Alimentación: Una selección apropiada de la velocidad de alimentación del material de aporte es de vital importancia para proporcionar un trabajo de calidad. El equipo de soldadura MIG cuenta con un sistema de rectificación de alimentación de alambre de aporte. Además de proporcionar una velocidad constante de alimentación, estos equipos cuentan con la posibilidad de establecer un tiempo de alimentación de gas previo y posterior al arco.

Diagrama cabezal Fuente: Manual de sistemas y materiales de soldadura, Indura

 Stick Out: Es la distancia comprendida entre el tubo de contacto y el extremo del alambre, esta variable es importante en el procedimiento de soldadura y en especial en la protección gaseosa presente. Al aumentar el “stick out” la penetración se vuelve más débil y además aumenta la cantidad de proyecciones, las cuales pueden interferir en la salida del gas de protección, generando poros y contaminación excesiva.

Diagrama representativo efectos del “stick out” Fuente: Soldadura semiautomática con gas de protección (MIG/MAG), Lincoln Electronic

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 Velocidad de desplazamiento: Luego de establecer los parámetros anteriores, la velocidad de desplazamiento afectará en la penetración del cordón en el metal base. Al mantener dicha velocidad baja, se desarrollará una gran penetración, al contrario, al utilizar una velocidad alta esto producirá una soldadura irregular y con baja penetración.

 Polaridad: Principalmente en este tipo de soldadura se utiliza polaridad inversa (DC+), de esta manera el flujo de electrones se produce desde el metal base hacia el electrodo, generando una mayor concentración de calor, logrando una buena transferencia del material de aporte y un arco estable.

Sección transversal arco producido Fuente: www.josefgas.com

 Angulo de desplazamiento: Para obtener una máxima penetración es recomendable un ángulo de desplazamiento entre 5 a 15 .  Gas de protección: Encargado de generar una atmósfera protectora óptima para formar el arco, dicho gas es suministrado a través de la boquilla de la pistola, a partir de los cilindros donde se encuentra almacenado.

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1.4 MATERIAL DE APORTE: Los electrodos empleados se suministran en carretes, los cuales son introducidos directamente en el equipo de soldadura en la unidad correspondiente de alimentación. Al ser los alambres de pequeño diámetro (0.6 a 3.2 mm) y la intensidad de corriente utilizada es bastante elevada, la velocidad de alimentación suele ser elevada, del orden de 2.4 a 20.4 m/min para la mayoría de los metales. La composición química del material de aporte dependerá de la naturaleza de los aceros a soldar y del gas de protección utilizado. Es necesario recalcar la importancia de utilizar un tubo guía correspondiente al diámetro del material de aporte, además de ajustar los rodillos de alimentación para cada caso. En este estudio se empleó carretes con un peso correspondiente a 15 Kg y de 1.2 mm de diámetro.  Aporte Sólido: Es el material de aporte más utilizado debido a su menor costo. Es un alambre macizo, que en general cuenta con una composición muy similar a la del material base a soldar, además de prestar cantidades variables de desoxidantes, según corresponda a la aplicación y al gas protector, junto con diversos metales para así mejorar las propiedades mecánicas y/o la resistencia a la corrosión.  Aporte Tubular: Este tipo de aporte se comporta de manera similar a los electrodos revestidos, constan con una carcasa metálica y un interior hueco, en comparación a su homologo sólido, el alambre tubular consta de una composición más compleja, al encontrarse relleno con polvo fundente granular, polvo metálico o ambos. Otra diferencia característica es que los alambres tubulares producen escoria sobre el cordón de soldadura, no así su contraparte sólida

Ejemplo rollo de aporte Fuente: www.indura.cl

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CAPÍTULO II: FABRICACIÓN DE PROBETAS 2.1 MATERIALES BASE: Debido a las uniones estudiadas, fue necesario emplear 2 materiales base, en 12 mm de espesor:  Acero al carbono (A 131-Grado A): Denominado por el fabricante Minmetals Yingkou Medium Plate Co. Ltd como Hull Structural Steel, certificado por Lloyd´s Register como acero de grado A.

Planchas para unión A 131 – A131 Fuente: Elaboración propia

 Acero inoxidable (316L): El acero 316 L es una variante del 316, el cuál presenta menor contenido de carbono, menor límite elástico como también menor resistencia a la tracción, pero ofrece una mejor soldabilidad y menor corrosión entre uniones.

Planchas para unión 316L – 316L Fuente: Elaboración propia

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2.2 SOLDADOR: Las probetas en su totalidad fueron soldadas por el soldador calificado Juan Carlos Padrines Delgado, perteneciente a la empresa Asenav S.A. por más de 20 años, poseedor de su calificación vigente por parte de Lloyd´s Register.

Extracto certificación soldador Fuente: Archivos Depto. Soldadura Asenav S.A.

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2.3 MÁQUINA SOLDADORA: La empresa Kemppi consta de un gran prestigio a nivel mundial en la fabricación de equipos de soldadura y proveedor de soluciones de alta productividad en esta área, lo que los ha llevado a posicionarse como líder mundial en estos ámbitos. Gracias a la factibilidad de poder seleccionar los distintos elementos que conformar el conjunto de maquina soldadora, para en este caso se pudo disponer del siguiente equipo, compuesto por:



Cabezal:  ProMig 520



Fuente de poder:  Pro 5200 Evolution



Enfriador:  ProCool 30

Detalle máquina soldadora Fuente: Kemppi operation instructions

De esta manera se disponía con un equipo de excelente calidad, lo cual con un soldador de experiencia, asegura un procedimiento de soldadura de alto nivel de calidad. Como parámetros globales para este estudio, esta máquina trabajó con corriente trifásica, utilizando el método de transferencia correspondiente a corto circuito, trabajando con voltaje constante.

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2.4 PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA: Al contar con los siguientes 3 tipos de uniones de metales:   

A 131 – A131 316L – 316L A131 – 316L

Se buscó la manera de estandarizar el tipo de unión soldadas en este estudio, es por esto que se implementaron procedimientos de soldadura certificados por Lloyd´s Register para uniones de planchas de 12 mm de espesor y sus correspondientes casos, dependiendo de los materiales a unir.

Extracto procedimientos de soldadura empleados Fuente: Procedimiento de soldadura Lloyd´s Register

Para evitar la mayor cantidad de variables que se pueden presentar en los procesos de soldadura, todas las uniones se realizaron en posición vertical ascendente, salvo en casos excepcionales, los cuales se tratarán más adelante, de la misma manera que los gases utilizados y aportes correspondientes. Pero teniendo en cuenta que el biselado para todas las uniones fue el correspondiente al diagrama anterior.

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2.5 UNIONES SOLDADAS: Corresponde a una probeta normalizada según Lloyd´s Register, utilizada para la calificación de procesos y calificación de soldadores, con las siguientes dimensiones:  

Largo total: 350 mm Ancho total: 300 mm

Planchas para unión A 131 – 316L Fuente: Elaboración propia

Preparación probeta unión 316L – 316L Fuente: Elaboración propia

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Sección trasera probeta unión A131 – A131 Fuente: Elaboración propia

Sección frontal probeta unión A131 – 316L Fuente: Elaboración propia

Soldador realizando cordones en probeta Fuente: Elaboración propia

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 Uniones con aporte tubular:  A 131 – A 131: Los parámetros generales presentes en la fabricación de esta probeta se pueden resumir en la tabla que se presenta a continuación:

E: Lincoln LW-71 G: CO2 I (A) T (V) Va (m/min) Δ (Kg) Pos. 138 22,5 7 0,07 Vu 175 24,8 7,3 0,115 Vu 185 21,4 7,4 0,105 Vu Parámetros soldadora unión A131 – A131, Ap. Tubular Fuente: Elaboración propia

Electrodo Lincoln Primacore LW-71 (Diámetro = 1,2 mm): 

Características Principales:  Escoria de solidificación rápida para la soldadura fuera de posición.  Diseñada para la soldadura con gas de protección 100% CO2.  Desempeño de arco superior y excelente apariencia.

Detalle cordón presentación unión A131 – A131 Fuente: Elaboración propia Cordón presentación unión A131 – A131, Ap. Tubular Fuente: Elaboración propia

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

316L – 316L:

E: ESAB 316L G: CO2 I (A) T (V) Va (m/min) Δ (Kg) Pos. 121 25,4 6,8 0,16 Vu 135 26,1 7 0,11 Vu 140 26,7 7,1 0,095 Vu Parámetros soldadora unión 316L – 316L, Ap. Tubular Fuente: Elaboración propia

Electrodo ESAB Shield Bright 316 L (Diámetro = 1,2 mm):  

Diseñado especialmente para soldar Acero 316L. Contiene Molibdeno el cual resiste de mejor manera a la corrosión por picaduras.

Instalación respaldo cerámico, probeta unión 316L – 316L Fuente: Elaboración propia

19



A 131 – 316L:

E: Indura E309LT-1 G: CO2 I (A) T (V) Va (m/min) Δ (Kg) Pos. 130 25,4 7,1 0,165 Vu 150 27 7,5 0,13 Vu 145 26,6 7,2 0,065 Vu Parámetros soldadora unión A131 – 316L, Ap. Tubular Fuente: Elaboración propia

Electrodo Indura E309LT-1 (Diámetro = 1,2 mm):   

Alambre tubular con protección gaseosa externa. Diseñado para soldar con: 100% CO2 o Indurmig20. Elevada resistencia a la corrosión.

Presentación probeta unión A131 – 316L, Ap. Tubular Fuente: Elaboración propia

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 Uniones con aporte sólido:  A 131 – A 131:

E: Indura ER 70S-6 G: Indurmig 20 I (A) T (V) Va (m/min) Δ (Kg) 158 23,2 5,5 0,075 135 21,3 3,4 0,125 136 21,3 3,4 0,104 123 18,8 3 0,09

Pos. D Vu Vu Vu

Parámetros soldadora unión A131 – A131, Ap. Sólido Fuente: Elaboración propia

Debido a problemas de desprendimiento de soldadura y penetración al soldar el cordón de raíz en posición vertical ascendente, se optó por realizar este cordón en la posición plana, de manera de modificar el tipo de unión lo menos posible.

Falta de fusión en cordón de raíz Fuente: Elaboración propia

Cordón de presentación unión A131 – A131, Ap. Sólido Fuente: Elaboración propia

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Electrodo Indura ER 70S-6 (Diámetro = 1,2 mm):    

Excelente soldabilidad con alta cantidad de elementos desoxidantes. Especial para soldaduras donde no pueden seguirse estrictas prácticas de limpieza. Utilizados principalmente con: 100% CO2 y otras mezclas como el Indurmig. Al no producir escoria reduce al mínimo las operaciones de limpieza.

Proceso de soldadura cordón de raíz, unión A131 - A131, Ap. Sólido Fuente: Elaboración propia

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

316L – 316L:

E: Lincoln 316L G: Ar I (A) T (V) Va (m/min) Δ (Kg) Pos. 218 26,4 7,5 0,17 D 231 28,3 8,4 0,125 D 130 195 5 0,145 D Parámetros soldadora unión A131 – A131, Ap. Sólido Fuente: Elaboración propia

Debido a que el acero inoxidable encapsula de mayor manera que el acero al carbono el calor y debido a que la velocidad de avance es menor en este tipo de aportes en comparación al aporte tubular, el problema presente en esta unión fue el del desprendimiento del cordón de soldadura. Es por esto que se decidió cambiar el procedimiento para esta unión a la posición plana, ya que en posición vertical ascendente se producía una sobre monta excesiva como se muestra a continuación:

Sobre monta excesiva unión 316L – 316L, Ap. Sólido en posición Vu Fuente: Elaboración propia

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Una vez solucionados los problemas presentes en esta unión específica, se logró continuar con la fabricación de probetas con cordones que aprobaran la inspección visual.

Proceso de soldadura cordón de raíz, unión 316L – 316L, Ap. Sólido Fuente: Elaboración propia

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

A 131 – 316L:

E: Lincoln 309L G: Indurmig 20 I (A) T (V) Va (m/min) Δ (Kg) 172 27,3 6,6 0,165 195 29 6,9 0,115 136 21,2 4,5 0,17

Pos. D D D

Parámetros soldadora unión A131 – 316L, Ap. Sólido Fuente: Elaboración propia

Debido al constante problema presentado en las uniones con aporte sólido y además en las uniones que presentan planchas de acero inoxidable, todos los cordones presentes en esta última unión fueron realizados en posición plana.

Cordón de relleno A131 – 316L, Ap. Sólido Fuente: Elaboración propia

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2.6 ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS:  Radiografía digital: Gracias a la tecnología presente y a la incursión cada vez mayor de la era digital, hoy es posible realizar ensayos radiográficos de uniones soldadas con sistemas digitales, los cuales permiten en el lugar de trabajo revisar las placas radiográficas al ser rebeladas de manera digital al momento de realizar el ensayo no destructivo. De esta manera fue posible radiografiar las uniones soldadas presentes en este estudio, con el equipo Vidisco RayzorXPro.

Detalle máquina radiográfica digital Vidisco RayzorXPro Fuente: www.vidisco.com

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Una vez retirado los atiesadores en todas las probetas, se procedió a la toma de placas radiográficas.

Preparación probetas previo a radiografía Fuente: Elaboración propia

Instalación identificador de pulgadas Fuente: Elaboración propia

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Proceso toma de radiografías Fuente: Elaboración propia

Revelado digital de placas radiográficas Fuente: Elaboración propia

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Unión: A 131 – A 131 Aporte: Tubular

Unión: A 131 – A 131 Aporte: Tubular

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Unión: 316L – 316L Aporte: Tubular

Unión: 316L – 316L Aporte: Tubular

30

Unión: A 131 – 316L Aporte: Tubular

Unión: A 131 – 316L Aporte: Tubular

31

Unión: A 131 – A 131 Aporte: Sólido

Unión: A 131 – A 131 Aporte: Sólido

32

Unión: 316L – 316L Aporte: Sólido

Unión: 316L – 316L Aporte: Sólido

33

Unión: A 131 – 316L Aporte: Sólido

Unión: A 131 – 316L Aporte: Sólido

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2.7 MAQUINADO DE PROBETAS: Una vez terminado el procedimiento de soldadura, previo a la fabricación de las probetas para ensayos en laboratorio, por normativas de la casa clasificadora, es necesario descartar ciertos tramos en ambos extremos de la unión de planchas. En el caso específico de la soldadura semi automática y con las dimensiones antes mencionadas, los tramos descartados corresponden a 50 mm en cada extremo del cordón de soldadura.

Detalles probetas según Lloyd´s Register Fuente: Extracto Reglamento Lloyd´s Register

Una vez realizado el descarte correspondiente, se obtiene una zona de estudio con un largo total de: 250 mm.

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En el caso de que sea necesario realizar todos los ensayos detallados en el diagrama adjunto, la distribución de secciones correspondientes para la fabricación de las probetas sería como se encuentra detallado en su totalidad al costado. Debido a que los ensayos destructivos a realizar para el presente análisis, no son en su totalidad los detallados aquí, fue necesario realizar una re estructuración correspondiente a la obtención de secciones para fabricar las probetas deseadas. Para realizar el contraste entre propiedades mecánicas en los diferentes tipos de uniones soldadas y con especial énfasis en contrastar dichas propiedades entre los diferentes tipos de aportes correspondientes, solo se fabricaron probetas correspondientes a: 1 Ensayo de doblez de cara. 1 Ensayo de dobles de raíz. 2 Ensayos de tracción transversal. 4 Ensayos de Charpy en V. i) ii) iii) iv)

Línea central Línea de fusión LF + 2mm LF + 5 mm

Detalle probeta de ensayos múltiples Fuente: Extracto Reglamento Lloyd´s Register

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En vista a lo anterior, el diagrama correspondiente a la fabricación de probetas es el siguiente:

Detalle probeta utilizada Fuente: Extracto Reglamento Lloyd´s Register

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De modo de evitar cualquier estrés térmico adicional, que pudiera afectar en las mediciones en laboratorio, todas estas secciones fueron cortadas en máquinas con sierras refrigeradas.

Corte de probetas en cierra con refrigerante Fuente: Elaboración propia

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Una vez realizado el primer corte correspondiente, las probetas fueron rectificadas y dimensionadas en el taller de tornería, donde también contaron con los líquidos refrigerantes correspondientes a los procesos determinados.

Ajuste en fresadora para probetas de tracción Fuente: Elaboración propia

Fresado final probetas de tracción Fuente: Elaboración propia

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Fresado final probetas tracción (2) Fuente: Elaboración propia

Ajuste probetas Ensayo de Charpy Fuente: Elaboración propia

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Fabricación corte en V, probeta Ensayo de Charpy Fuente: Elaboración propia

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2.8 DIMENSIONES DE LAS PROBETAS: Guiados por el reglamento antes mencionado y teniendo en cuenta los parámetros correspondientes a la máquina de ensayos disponible, las probetas para ensayos destructivos fueron ajustadas a las siguientes dimensiones:  Doblez de cara y raíz:

Detalle probeta de doblez según Lloyd´s Register Fuente: Extracto Reglamento Lloyd´s Register

Detalle dimensiones empleadas en probeta de doblez Fuente: Elaboración propia

En este caso el largo total fue ajustado para que no interfiriera con la máquina durante el ensayo de doblado.

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 Tracción transversal:

Detalle probeta de tracción según Lloyd´s Register Fuente: Extracto Reglamento Lloyd´s Register

Detalle dimensiones empleadas en probeta de tracción Fuente: Elaboración propia

Para las probetas de tracción, el largo total fue ajustado con el objetivo de aprovechar la probeta en su totalidad y las tomas de fuerza arbitrariamente, de modo que no influyeran de manera negativa en el ensayo.

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 Charpy V: Siendo una de las probetas más delicadas con respecto a su fabricación, en este caso fue estrictamente necesario guiarnos por el reglamento.

Parámetros correspondientes a probeta para ensayo de Charpy Fuente: Extracto Reglamento Lloyd´s Register

Probeta alineada en máquina de E. Charpy Fuente: Elaboración propia

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CAPÍTULO III: ENSAYOS DE LABORATORIO: 3.1 RESULTADOS OBTENIDOS:  Doblez de cara y raíz:

Ap. Tubular Cara Raiz

Ap Sólido Cara Raiz

A 131 - A 131 316L - 316L

X

A 131 - 316L Resultados doblez de cara y raíz Fuente: Elaboración propia

Set completo de probetas sometidas a pruebas de doblez Fuente: Elaboración propia

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Detalle (1) probeta fallida en doblez de cara Fuente: Elaboración propia

Detalle (2) probeta fallida en doblez de cara Fuente: Elaboración propia

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 Tracción transversal:

Ap. Tubular A 131 - A 131 316L - 316L A 131 - 316L

σf

σm

σr

Δl

293 245 280

427 526 417

330 458 324

26,3 48,8 19,2

Resultados ensayo de tracción probetas aporte tubular Fuente: Elaboración propia

Ap Sólido A 131 - A 131 316L - 316L A 131 - 316L

σf

σm

σr

Δl

261 247 255

408 519 414

325 501 331

26,9 40,9 19,1

Resultados ensayo de tracción probetas aporte sólido Fuente: Elaboración propia

El set correspondiente a la unión de 316L – 316L soldada con aporte sólido, presentó fallas por poros producidos por falta de limpieza.

Set de probetas soldadas con aporte tubular sometidas a pruebas de tracción Fuente: Elaboración propia

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Falla en probeta de tracción unión 316L – 316L, Ap. Sólido (1) Fuente: Elaboración propia

Falla en probeta de tracción unión 316L – 316L, Ap. Sólido (2) Fuente: Elaboración propia

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Detalle sección lateral probeta de tracción unión 316L – 316L, Ap. Tubular (1) Fuente: Elaboración propia

Detalle sección lateral probeta de tracción unión 316L – 316L, Ap. Tubular (2) Fuente: Elaboración propia

Al observar la sección lateral de las probetas antes mencionadas, se puede observar un claro desgarre de la estructura cristalina del material base al ser sometido a esfuerzos de tracción.

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 Charpy V: Ensayos realizados:    

Línea central. Línea de fusión. Línea de fusión + 2mm. Línea de fusión + 5mm.

Exceptuando el caso de las uniones correspondientes a A 131 – 316L, en cuyo caso se tomaron ensayos en:   

Línea central. Línea de fusión en 316L. Línea de fusión A 131.

A 131 - A 131 316L - 316L

LC 16,2 (D) 10,4 (F)

A 131 - 316L

LC 9 (F)

Ap. Tubular LF LF+2mm 16 (D) 13,8 (D) 19,4 (D) 18,6 (D) LF316L 26,4 (D)

LF+5mm 15,2 (D) 18,2 (D)

LFA 131 15,6 (D)

Resultados ensayo de Charpy, probetas con Ap. Tubular Fuente: Elaboración propia

A 131 - A 131 316L - 316L

LC 16,2 (D) 23,8 (D)

A 131 - 316L

LC 11 (F)

Ap. Sólido LF LF+2mm 16,2 (D) 16,2 (D) 14,8 (F) 16,6 (F) LF316L 17 (F)

LF+5mm 16,8 (D) 16,8 (F)

LFA 131 13,4 (D)

Resultados ensayo de Charpy, probetas con Ap. Sólido Fuente: Elaboración propia

En este ensayo se presentaron dos tipos de fractura:  

Fractura frágil (F) Fractura dúctil (D) 50

3.2 ANÁLISIS DE RESULTADOS: Lamentablemente por los resultados fallidos en los set de probetas:  

316L – 316L A 131 – 316L

Y debido a que el enfoque principal de este estudio es realizar un contraste principalmente en propiedades mecánicas en uniones del mismo material base pero soldados mediante ambos tipos de aporte, los sujetos para el análisis de resultados se vieron reducidos al grupo de las probetas: 

A 131 – A 131

Probetas unión A131 – A131 sometidas a tracción, ambos tipos de aporte Fuente: Elaboración propia

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Al haber aprobado los ensayos de doblez de cara y raíz en ambos casos, para el análisis de resultados de modo cuantitativo, es necesario comparar los valores obtenidos en los ensayos de:  

Tracción transversal Charpy V

 Tracción transversal:

Ap. Tubular MPa

MPa

σf

σm

σr

293

427

σf

σm

σr

Δl (%)

261

408

325

26,9

330 Ap. Sólido

Δl (%) 26,3

Resultados ensayo de tracción, probetas con ambos tipos de aporte Fuente: Elaboración propia

Con estos resultados, se pueden obtener las siguientes diferencias en las uniones soldadas con aporte tubular con respecto al aporte sólido:

Δ (%) Δ

σf

σm

σr

Δl (%)

12,2 32

4,61 19

1,51 5

-2,24 -0,6

Elongación obtenida en ensayo de tracción, probetas con ambos tipos de aporte Fuente: Elaboración propia

Podemos observar que la unión correspondiente a aporte tubular cuenta con un considerable esfuerzo de fluencia mayor de un 12,2% más que el de la unión con aporte sólido, pero en esfuerzos máximos y de ruptura ambas uniones lograron valores muy similares. En contraste a las mejoras en los parámetros antes mencionados, los resultados arrojan que las planchas soldadas con aporte tubular presentan una menor capacidad de elongación que su contra parte, logrando una elongación de -2,24%.

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Ap. Tubular, Probeta 1 Ap. Tubular, Probeta 2 Ap. Sólido, Probeta 1 Ap. Sólido, Probeta 2

Gráficos digitalizados y escalados mediante software Rhinoceros Fuente: Elaboración propia

Luego de digitalizar los gráficos obtenidos de la máquina de ensayo de tracción y su correspondiente reproducción a escala, es evidente la mayor cantidad de área bajo la curva que se puede apreciar para las uniones realizadas con aporte sólido, lo cual implica una mayor tenacidad en este tipo de uniones. Una vez cuantificadas dichas áreas al elaborar la siguiente tabla de contrastes, se puede apreciar la diferencia de valores en cada caso.

Áreas (Kgf*mm) Probeta 1

Ap. Tubular 4989

Ap. Sólido 26121,9

Probeta 2 V.Medio

5921,5 5455,3

28591,1 27356,5

Medición de áreas mediante Rhinoceros Fuente: Elaboración propia

Al observar la tabla podemos observas un incremento en la tenacidad de 500% en el aporte sólido.

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 Charpy V: Luego de someter todo el set de probetas e identificar el tipo de fractura presente, en todos los casos podemos observar un tipo de fractura dúctil:

Ejemplo fractura dúctil Fuente: Elaboración propia

Kgf*m

LC 16,2 (D)

Ap. Tubular LF LF+2mm 16 (D) 13,8 (D)

LC 16,2 (D)

Ap. Sólido LF LF+2mm 16,2 (D) 16,2 (D)

LF+5mm 15,2 (D)

Resultados ensayo de Charpy, unión A131 – A131, Ap. Tubular Fuente: Elaboración propia

Kgf*m

LF+5mm 16,8 (D)

Resultados ensayo de Charpy, unión A131 – A131, Ap. Sólido Fuente: Elaboración propia

LC

Δ (%) Δ

0 0

LF -1,23 -0,2

LF+2mm -14,81 -2,4

LF+5mm -9,52 -1,6

Contraste resultados ensayo de Charpy, unión A131 – A131, ambos aportes Fuente: Elaboración propia

Ambos tipos de aporte presentan el mismo tipo de fractura (dúctil), pero en este ensayo las probetas soldadas con aporte tubular obtuvieron solo el mismo valor en el ensayo correspondiente a la línea central de la probeta, pero en todos los otros, sus valores obtenidos fueron menores que las otras probetas realizadas con aporte sólido.

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CONCLUSIONES: Tomando en cuenta el número limitado de probetas realizadas, no se puede tener total certeza de los valores obtenidos, como así tampoco dar conclusiones absolutas con respecto al tema estudiado. Pero es necesario mencionar que si a futuro se pudieran validar los resultados obtenidos, la soldadura con aporte sólido representaría un tipo de aporte muy prometedor para el área naval por los grandes valores de tenacidad y ductilidad que este presenta. Dicho contraste en las mediciones es posible atribuirlas a la diferencia en los gases utilizados, puesto que en las probetas de A 131 soldadas con aporte tubular fue utilizado 100% argón como gas de protección, el cual al ser más denso que el CO2, satura de mejor manera el volumen donde se produce directamente el arco. Además el proceso de soldadura con aporte sólido es notablemente más lento que su contraparte tubular, esta diferencia en la velocidad de avance genera un estrés térmico mayor al material base, lo cual también podría afectar en los resultados obtenidos. Es necesario recalcar que el aporte sólido presentó dificultades para soldar en toda posición, junto con las probetas que fallaron en las uniones correspondientes a los otros materiales base estudiados. Pero si se lograra mejorar el proceso de soldadura en los parámetros correspondientes a posiciones de soldeo y limpieza en el proceso (lo cual podría ser mediante adición de fundentes al aporte sólido), no deja de ser un área de gran interés al presentar los resultados obtenidos en laboratorio.

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BIBLIOGRAFÍA: - American Welding Society, “Structural Welding Code-Steel, ANSI, AWS D1.1” - American Welding Society, “Structural Welding Code-Stainless Steel, ANSI, AWS D1.6” - Carolina Llano Uribe, “Soldadura G.M.A.W – MIG/MAG” - James R. Thorntoon, “Construcción y Reparación de Buques de y Embarcaciones de Recreo” - RepMan Soldaduras, ““Nociones Básicas del Proceso MIG/MAG” - Lincoln Electric, “Soldadura Semiautomática con Gas de Protección (MIG-MAG)” - Hobart Filler Metals, “Tips for Successfully Welding Stainless Steel to Carbon Steel” - Linde, “Soldadura MIG/MAG” - Ulrich Krüger, “Arc Welding Processes: TIG, Plasma Arc, MIG” - Stefanija Klaric, “MAG Welding Process – Analysis of Welding Parameter Influence on Joint Geometry” - Miller, “Guidelines for Gas Metal Arc Welding (GMAW)” - Lincoln Electric, “GMAW Welding Guide”

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ANEXOS:  Anexo N° 1: CERTIFICACION ACERO A 131

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 Anexo N° 2: CERTIFICACION ACERO 316 L

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 Anexo N° 3: CERTIFICACION DE CALIFICACIÓN DEL SOLDADOR

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