Informe 4 - Afectaciones Metalograficas En Juntas Soldadas.docx

DEPARTAMENTO DE CIENCIAS DE LA ENERGÍA Y MECÁNICA CARRERA DE INGENIERÍA MECÁNICA LABORATORIO DE SOLDADURA II PROFESOR LABORATORIO: ING. CARLOS NARANJO

NRC LABORATORIO: 2306 INFORME DE LABORATORIO No: 4 TEMA DEL LABORATORIO: AFECTACIONES METALOGRAFICAS EN JUNTAS SOLDADAS REALIZADO POR: MORALES CARLOS GUANO CRISTHIAN BENITEZ PAÚL PACHECO KEVIN

SANGOLQUI-13/07/2016

SOLDADURA II PRÁCTICA DE LABORATORIO N°4 AFECTACIONES METALOGRAFICAS EN JUNTAS SOLDADAS

1. OBJETIVO Establecer la variación de la estructura metalográfica y su influencia en las propiedades mecánicas de juntas soldadas. 2. TEORÍA Debido al gradiente de temperatura que se desarrolla durante la soldadura, se produce cambios metalúrgicos en la misma que pueden incluir todos los que se tiene bajo cualquier clase de proceso, incluyendo fusión, aleación, solidificación, fundición, etc. En las juntas soldadas se presenta: el metal de soldadura (MS) y la zona afectada por el calor (ZAC) en el material base (MB)

Fig 1: Esquema de la ZAC

Fig 2: Micrografía de la Soldadura

Efectos en la estructura y tamaño de grano La Zona fundida es la región que alcanza la fusión completa. Desde el punto de vista metalúrgico en la misma ocurre un proceso de solidificación de relativa complejidad con la presencia de una microestructura primaria de granos columnares cuya morfología depende del modo de solidificación. A partir de la estructura primaria y como consecuencia de las subsiguientes transformaciones de estado sólido aparece una microestructura secundaria que confiere buena parte de las propiedades mecánicas del metal de soldadura y consecuentemente de la unión soldada. Por su parte esta zona es resultado de un proceso de dilución entre el metal de aporte y el metal base. La soldadura es un proceso de fusión localizado que se realiza fuera de las condiciones de equilibrio. Por tanto en la zona fundida habrá un cambio en la estructura granular, sin embargo los efectos de tamaño de grano no se confinan solamente al metal fundido, si no que efectos de re cristalización, transformaciones alotrópicas se extienden a lo largo de cierta distancia en el material base, como se ilustra en las figuras:

Fig 4: Transformaciones Alotrópicas en el Material Base Fig 3: Proceso de Solidificación

Efectos de la soldadura en las propiedades

Fig 5: Relación Resistencia vs Distancia en la ZAC

3. MATERIALES a. Material Base: i. Placa de acero ASTM 36 de 180 x 50 x 10 mm ii. Placa de acero DF2=ARNE=AISI 01 de 180 x 50 x 10 mm iii. Medidas: Cantidad: 4 (2 de cada material)

b. Consumible: i. Clasificación: ASME Sección C: ER70S-6 ii. Especificación: AWS A5.18: Alambre sólido. iii. Tamaño: Ø 1,2 mm iv. Gas protección: CO2 4. EQUIPO a) Soldadora requerida para el proceso mecanizado i. Equipo para soldadura GMAW/FCAW.

Fig 6: Soldadora Miller

Fig 7: Esquema de Panel de Control

Características Técnicas de la Maquina. Máquina: Modelo: Ciclo de trabajo: Rango de amperaje: OCV: ii. Equipo para soldadura mecanizado.

Fig 8: Tortuga

Soldadora por arco voltaje constante Miller 300 (Soldadora de alambre de 3 fases) 60% (300 A con 32 VDC) – 100% (240 A con 32 VDC) 200 A – 460 A 38

b) Amoladora. c) Grata. d) Cepillo de Alambre. e) Termocupla. f)

Equipo de seguridad personal.

g) Equipo para ejecutar ensayos macrográficos y micrográficos. h) Equipo para efectuar microdureza Knoop. 5. PROCEDIMIENTO a) Atender a la explicación del profesor sobre las juntas a realizar. b) Identificar las variables esenciales y preparar un procedimiento de soldadura. c) Preparar el material base según la geometría de la junta especificada en el procedimiento. d) Regular, calibrar y registrar los variables de operación de los equipos de soldadora. e) Realizar un precalentamiento si es necesario (calcular). f)

Realice la junta soldada y registre el valor de las variables de soldadura

g) Efectuar la inspección visual a la junta y registre indicaciones. h) Realice el ensayo de macro – microestructura de las juntas identificando en la ZAC las distintas estructuras metalográficas. i)

Mida la dureza en el material depositado y en el material base.

j)

Realice un perfil de dureza, ejecute el ensayo de microdureza Knoop en una línea a 2 mm bajo la cara de la soldadura, dentro de la ZAC a 1 mm de separación una de otra.

6. RESULTADOS Proceso: GMAW Conexión: DCEP Velocidad de Avance: 15 cm/min Gas de Protección: CO2 Precalentamiento: no requerido

Ord

Tiempo (s)

Amperaje (A)

Voltaje (V)

Velocidad alambre (cm/min)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37

0 2 10 14 16 21 23 25 29 32 34 36 39 41 43 46 48 50 54 56 58 61 64 66 69 71 73 76 78 80 83 85 87 89 92 94 98

156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200 156-200

24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5 24,5

251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251 251

Temperatura (0C) Lado a 41,5 41,6 43,1 43,2 44,5 45,5 45,7 50,1 54,6 63,8 94,1 314,6 528 693,5 660,1 672,6 656,3 638 615,1 590,9 570,2 552 534,8 517,7 500,7 483,8 468 453 439,5 426,9 415 403,9 394,1 385 376,3 358,7

Lado b

Q aportado (KJ/cm)

-

-

45 45,5 47 48,3 50 50,2 51,8 56 61,8 74,2 106,8 224,7 427 555,2 654,1 714,6 756 749,6 730,8 709,7 689,5 672,4 654,8 637,2 618,7 599,7 581,6 564,5 548,2 533 519 516,5 504,8 493,5 483 462,7

NOTA: Para un mejor análisis se han tomado más datos que los especificados en la guía.

a) Esquema de la unión obtenida indicando datos de la junta y del cordón obtenido.

Fig. 1 Esquema de la junta y el cordón obtenido para el Acero DF2

Fig. 2 Esquema de la junta y el cordón para el acero A36

b) Indicaciones encontradas en la inspección visual de la junta. Durante la ejecución de la práctica no se encontraron defectos o discontinuidades en la superficie del cordón, lo que sí se pudo observar es la existencia de chisporoteo que se puede haber producido por la calibración de la máquina al momento previo a realizar la soldadura. c) Análisis macrográfico y micrográfico de las estructuras metalográficas encontradas. Se realizó el análisis macrográfico y micrográfico del cordón de soldadura obteniendo los siguientes resultados:

Fig. 3 Esquema del cordon



Para el A36

Fig. 4 Fotografía del cordón de soldadura obtenido del acero A36



Para el DF2

Fig. 5 Fotografía del cordón de soldadura obtenido en el acero DF2

Tabla 1 Resultados obtenidos en el análisis macrográfico

Macrográfia ASTM A36 DF2

W

r1

r2

14 [mm] 13 [mm]

3 [mm] 4,5 [mm]

5 [mm] 6,5 [mm]

t 3 [mm] 3 [mm]

e 10 [mm] 10 [mm]

Fig. 6 Micrografía del metal de aporte en la placa de acero DF2 (100X)

Fig. 7 Micrografía obtenida del metal base para el acero DF2 (100X)

Fig. 8 Micrografía de la ZAT en las placas de acero DF2 (100X)

Fig. 9 Micrografía del cordón de soldadura de las placas de ASTM A36 (100X)

Fig. 10 Micrografía de la ZAT en las placas de ASTM A36 (100X)

Fig. 11 Micrografía del metal base en las plcas de ASTM A36 (100X)



Identificar las distintas zonas de la soldadura: Metal de soldadura (MS), Línea de fusión (LF), zona afectada por el calor (ZAC) y metal base (MB).

Fig. 12 Identificación de las zonas en el cordón de soldadura para el acero DF2

Fig. 13 Identificación de las zonas presentes en el cordón de soldadura del ATM A36



Medir Anchos de la zona afectada por el calor: En el caso del acero DF2 el ancho aproximado de la zona afectada por el calor es de 5,18 [mm], en el caso del ASTM A36 el ancho aproximado de zona afectada por el calor es de 3,82 [mm].



Identificar diferentes zonas dentro de la ZAC, asociar las diferencias con los ciclos térmicos que pudo haber sufrido el material. Dentro de la ZAC se pueden identificar tres zonas características las cuales son: Zona de recristalización: Es la zona que está más cerca del material base que no ha sido afectado por la ZAC y donde el metal ha comenzado a solidificarse. Zona de crecimiento de grano: Zona afectada por la ZAC que debido a la temperatura que existe durante el proceso de soldadura produce un cambio o variación de los granos que conforman la estructura metalográfica del metal base, de manera que estos se vuelvan más grandes.

Zona de fusión: Es la zona donde el metal ha comenzado a fundirse o esta fundido y que está afectada directamente por la temperatura que se produce debido al arco eléctrico. 

Análisis del perfil de dureza determinado. (Realice un gráfico) ACERO DF2

Distancia [mm] Dureza [Rc B] 4,56 71,2 8,34 71,2 14,52 70,3 19,98 75,1 21,4 88,7 22,64 88,7 24,72 89,3 27,76 89 30 71,4 34,06 70,4 41 69,2 46,48 68,6

Microdureza [Rc B]

Microdureza vs Distancia 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40

50

Distancia [mm]

ACERO ASTM A36

Microdureza vs Distancia Microdureza [Rc B]

Distancia [mm] Dureza [Rc B] 4 70,9 9,62 71 15,22 70,6 20,8 68,4 26 70,6 31 75,5 33,86 78,3 34,6 79,6 35,48 81,9 37 82,2 39 83 40,34 82,3 45,3 80,6 49 74,4 53,84 75,9 58,7 74 63,36 68,6 69,4 71,8 76 74,2

90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

10

20

30

40 Distancia [mm]

50

60

70

80



Realizar la gráfica Temperatura vs tiempo, de acuerdo a las temperaturas tomadas en el proceso de soldeo.

TEMPERATURA VS TIEMPO 800

Temperatura (°C)

700 600 500

400 300 200 100 0 0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

Tiempo (s) En funcion de T1



En funcion de T2

Comparar la morfología de las estructuras de solidificación (zona de fusión) de distintos materiales (acero, aluminio, cobre).

7. CUESTIONARIO 1. ¿Cuáles son los materiales más susceptibles de desarrollar estructuras frágiles en la ZAC? Los aceros que tienen difícil soldabilidad son aquellos que tienen templabilidad alta. La templabilidad en un acero es la capacidad de generar martensita. Los elementos de adición que conceden características elevadas a los aceros aumentan a la vez su poder de temple, es decir que por la presencia de estos elementos se inhibe la descomposición de la austenita en perlita durante tiempos relativamente largos y con ello se logra transformar la austenita en martensita aún a bajas velocidades de enfriamiento y, por consiguiente su poder de agrietamiento. Bajo en concepto anterior y teniendo en cuenta los efectos de la soldadura en la ZAC, se puede comprobar que un gradiente de temperatura originada por la difusión del calor, va desde la solidificación del acero (1535°C) hasta la temperatura ambiente. Debido a que se alcanza la temperatura de temple en la zona próxima al cordón (900º- 700ºC), la cual se convierte en zona sensible y si se origina un enfriamiento brusco, esta zona será susceptible de formarse martensita, con lo que se originan zonas frágiles en estos aceros de difícil soldabilidad, agravándose este efecto cuando se trata de aceros de baja aleación. Es necesario recordar que los aceros de alta templabilidad son los aceros al carbono, cuyo contenido de carbono son >0,45. Estos aceros, si se calientan a T > 723°C necesitan enfriamientos bruscos para obtener un temple severo. Pero también presentan alta templabilidad, los aceros de

baja aleación cuando el CE es > 0,65%, teniendo en cuenta siempre además de Ce, el %C debido a que este elemento es el principal formador de estructura martensítica. 2. ¿Cuál es la propiedad mecánica que más se afecta por las variaciones metalográficas en un acero de alto contenido de carbono? Los aceros de alto contenido de carbono tienen una mayor tendencia a endurecerse y se deberá utilizar electrodos de bajo hidrógeno, así como precalentamiento y temperaturas entre 250 – 350°C. Si se utiliza un proceso de alto aporte térmico, se lo debe realizar con cuidado debido a la temperatura que da en las primeras pasadas; además no poseen una buena soldabilidad debido a la gran posibilidad de fisuraciones. La soldadura puede afectar las propiedades químicas, físicas y mecánicas de los aceros de alto contenido de carbono. En la ZAC se puede presentar cambios metalúrgicos y características mecánicas, pudiendo ser muy propensa a desarrollar grietas condiciones muy desfavorables. 3. En qué tipo de aplicaciones es de suma importancia el control de los cambios que se pueden producir en las estructuras metalográficas. En la industria automotriz, en la reparación de un vehículo, se debe conocer qué procesos de soldadura se puede emplear y cuál es el más adecuado a cada unión. En los Manuales de Reparación de los vehículos se especifica el tipo de soldadura en concreto a utilizar, cuando no se dispone de ésta información, en función de las características de la unión a realizar, se deberá optar por un tipo u otro de soldadura diferente. Características como el material y espesor de las chapas a unir, la accesibilidad a la zona, longitudes de uniones y esfuerzos a los que estará sometida la unión, deberán ser valoradas para conseguir un comportamiento óptimo del tipo de unión elegido. En cualquier reparación, el objetivo final es restituir las condiciones iniciales del vehículo, por esta razón en los Manuales de Reparación se facilita información sobre los sistemas de soldadura que se deben utilizar para conseguir que las uniones realizadas presenten las características mecánicas adecuadas. Es de gran importancia controlar el cambio metalográfico debido a que si aparece martensita en su estructura, provoca que el material se fragilice aumentando su templabilidad, y con este haciéndole un material frágil; lo que es perjudicial ya que en la parte de las carrocerías de los vehículos lo que se busca es que el material se resistente debido a un posible choque. 4. ¿Qué escala de dureza utilizo y porque? Se utilizó una escala de dureza Rocwell B debido a que se obtuvo durezas menores a un valor de 100, el peso aplicado fue de 100 [kg], la precarga inicial fue de 10 [kg] y se utilizó un indentor de bola de diámetro 1/16 [pulg] 5. ¿Por qué es importante realizar un procedimiento de soldadura? Es importante realizar un procedimiento de soldadura ya que se obtienen las siguientes ventajas y parámetros:    

Directrices para realizar la soldadura con base en los requerimientos del código. Información necesaria para orientar al soldador. Asegurar el cumplimiento de los requerimientos del código. Describe las variables esenciales, no esenciales y cuando se requiere, las variables suplementarias esenciales de cada procedimiento de soldadura.

8. CONCLUSIONES



En cuanto a la micrografía se concluye que los granos del metal base se recristalizaron totalmente por efecto del calor.



EL tamaño de grano se reduce en el material base por efecto del calor aportado, en tanto que en la zona de fusión se obtuvo una estructura metalográfica bastante desordenada.



Se concluye finalmente que al terminar el proceso de soldadura y analizar la dureza de cada sección, se obtiene que el material base es el que presenta mayor dureza, seguido de la zona afectada térmicamente y por último el cordón o material de aporte es el que cuenta con la menor dureza, esto puede ser gracias a las características del material de aporte.

9. RECOMENDACIONES  Para que la ZAT sea bastante visible cuando se realiza la macrografía se recomienda usar nital al 3% para el ataque químico durante 40 segundos aproximadamente. 10. BIBLIOGRAFÍA  ASME sección C, SFA - 5.28  http://www.oerlikon.es/es/comunidad/faqs-preguntas-y-respuestas-masfrecuentes/soldadura-orbital.html  http://www.centrozaragoza.com:8080/web/sala_prensa/revista_tecnica/hemeroteca/articulos/R9_A1.pdf  http://myslide.es/documents/analisis-metalografico-con-la-aplicacion-de-lasoldadura.html  http://sisbib.unmsm.edu.pe/bibvirtual/publicaciones/geologia/v02_n3/desarrollo2.htm

11. ANEXOS A36:

DF2:

Macrografía y micrografía:

Dureza: