GMAW UNIVERSIDAD DE LAS FUERZAS ARMADAS ESPE Departamento de Ciencias de la Energía y Mecánica Laboratorio de Soldadura 1
Carrera de Ingeniería Mecánica [ ] Carrera de Ingeniería Mecatrónica [ X ]
Fecha de entrega: 26 de junio del 2018
Nombre completo: Rodney Kevin Chacha Pastás CI: 172541400-5
NRC de teoría y laboratorio: NRC de laboratorio: Evaluación:
Fecha de recepción: ___/___/___ ___/___/___ Hora de recepción: ____:____
1. Temas tratados Soldadura por arco de metal y gas (GMAW) – Soldadura en Filete – Cordones de Arrastre y Empuje – Verificación de calidad de soldadura
2. Objetivo(s)
Comprender el desarrollo del proceso de soldadura por arco de metal y gas (GMAW) y los factores que intervienen en el mismo respecto a los parámetros de soldadura y calibración del equipo a utilizar,
Aplicar el proceso de soldadura por arco de metal y gas (GMAW) para desarrollar habilidades en la realización de juntas soldadas con cordones de arrastre y empuje.
Verificar la calidad de la soldadura realizada mediante el proceso GMAW con un ensayo de compresión de la junta realizada.
Identificar y analizar la prueba de doblado en las placas realizado en el laboratorio.
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3. Marco teórico Soldadura por arco de metal y gas (GMAW) Principio de operación
GMAW es un proceso de soldadura por arco que emplea un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. Este proceso se realiza bajo un escudo de gas suministrado suministrado externamente y sin aplicación de presión. Entre los avances posteriores del proceso están la operación con bajas densidades de corriente y con corriente continua a pulsos, la aplicación a una gama más amplia de materiales y el empleo de gases y mezclas de gases reactivos. Este último avance condujo a la aceptación formal del término “soldadura por arco de metal y gas” (GMAW) para el proceso, ya que se usan gases tanto
inertes como reactivos. Una variación del proceso GMAW emplea un electrodo tubular dentro del cual hay un núcleo constituido principalmente por polvos metálicos (electrodo con núcleo de metal). Estos electrodos requieren un escudo de gas para proteger el charco de soldadura de contaminación por parte de la atmósfera. GMAW puede operar en modalidades mecanizada, semiautomática o automática. Todos los metales de importancia comercial, como el acero al carbono, el acero de baja aleación de alta resistencia mecánica, el acero inoxidable, el aluminio, el cobre, el titanio y las aleaciones de níquel se pueden soldar en cualquier posición con este proceso escogiendo el gas protector, electrodo y variables de soldadura apropiados. apropiados. El proceso GMAW se basa en la alimentación automática de un electrodo continuo consumible que se protege mediante un gas de procedencia externa. (Hernández, 2013) El proceso se muestra en la Figura la Figura 1:
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Figura 1. Proceso de soldadura por arco de metal y gas. Fuente: (Hernández, 2013)
Una vez que el operador ha hecho los ajustes iniciales, el equipo puede regular automáticamente las características eléctricas del arco. Por todo esto, en efecto, los únicos controles manuales que el soldador requiere para la operación semiautomática son los de velocidad y dirección del desplazamiento, así como también el posicionamiento de la pistola. Cuando se cuenta con equipo y ajustes apropiados, la longitud del arco y la corriente (es decir, la velocidad de alimentación del alambre) se mantienen automáticamente.
Figura 2. Equipo de soldadura por arco de metal y gas (GMAW). Fuente: (Hernández, 2013)
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Los componentes básicos del equipo son la unidad de pistola soldadora y cables, la unidad de alimentación del electrodo, la fuente de potencia y la fuente de gas protector. La pistola guía el electrodo consumible y conduce la corriente eléctrica y el gas protector al trabajo, de modo que proporciona la energía para establecer y mantener el arco y fundir el electrodo, además de la protección necesaria contra la atmósfera del entorno. Se emplean dos combinaciones de unidad de alimentación de electrodo y fuente de potencia para lograr la autorregulación de la longitud del arco que se desea. Generalmente, esta regulación se efectúa con una fuente de potencia de voltaje constante en conjunción con una unidad de alimentación de electrodo de velocidad constante. Como alternativa, una fuente de potencia de corriente constante proporciona una curva volt-ampere de caída, y la unidad de alimentación del electrodo se controla por medio del voltaje del arco. Con la combinación de potencial constante/alimentación de alambre constante, los cambios en la posición del soplete originan un cambio en la corriente de soldadura que coincide exactamente con el cambio en la corriente de soldadura que coincide exactamente con el cambio en la extensión (protrusión) del electrodo, de modo que la longitud del arco no se modifica. Es decir, si se aumenta la extensión del electrodo al retirar el soplete, la salida de corriente de la fuente de potencia se reduce, con lo que se mantiene el mismo calentamiento por resistencia del electrodo. (Hernández, 2013)
Ventajas y usos
1. Éste es el único proceso de electrodo consumible que puede servir para soldar todos los metales y aleaciones comerciales. 2. El proceso GMAW no tiene restricción de tamaño de electrodo limitado. 3. Puede soldarse en todas las posiciones. 4. Se puede lograr tasas de deposición bastante más altas que con el proceso SMAW.
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5. Las velocidades de soldadura son más altas debido a la alimentación continua del electrodo y a las altas tasas de deposición del metal de aporte. 6. Es posible depositar soldaduras largas sin detenerse, ya que la alimentación del alambre es continua. 7. Es posible lograr mayor penetración cuando se usa transferencia por aspersión, lo que puede permitir el uso de soldaduras de filete más pequeñas para obtener una resistencia mecánica equivalente. 8. No requiere de limpieza después de la soldadura porque no se produce mucha escoria. (Hernández, 2013)
Relación de Transferencia de Metal en Función del Gas de Protección Mecanismos de transferencia del metal
La mejor forma de describir las características del proceso GMAW, es en términos de los tres mecanismos básicos empleados para transferir metal del electrodo al trabajo: 1. Transferencia en cortocircuito. 2. Transferencia globular. 3. Transferencia por aspersión. El tipo de transferencia está determinado por varios factores: 1. Magnitud y tipo de la corriente de soldadura. 2. Diámetro del electrodo. 3. Composición del electrodo. 4. Extensión del electrodo. 5. Gas protector. (Hernández, 2013)
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4. Equipos y Materiales. Equipo de soldadura utilizado Millermatic 252
Figura 3. Máquina soldadora Millermatic 252. Fuente: (Miller, 2016)
Tabla 1. Especificaciones de la máquina soldadora Millermatic 252. Fuente: (Miller, 2016)
Características del equipo Rango de amperaje Aplicaciones industriales: Fabricación de metales Mantenimiento y reparación Granja/Hogar Industria livina
Procesos: MIG (GMAW) Núcleo fundente (FCAW) Potencia de alimentación: 200 (208) /230 V, monofásica, 60 Hz 230/460/575 V, monofásica, 60 Hz
Salida nominal Velocidad de alimentación de alambre Voltaje máximo a circuito abierto Peso neto
30 – 300 A 200 A a 28 Vcc, 60% de ciclo de trabajo 250 A a 28 Vcc, 40% de ciclo de trabajo 50 – 700 PPM (1,3 – 17,9 m/min) 38 V 207 libras (94kg)
La salida más alta de su clase (250 A a 28 Vcc). La soldadura más duradera en aplicaciones de alta gama.
Control de voltaje infinito con medidores digitales autocalibrados que permiten preconfigurar el voltaje y la velocidad de alimentación de alambre. Garantiza parámetros exactos y precisión.
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Los temporizadores digitales integrados vienen completos con temporizadores predefinibles para preflujo/postflujo, postquemado y (puntada) de punto y de retardo. Temporizadores independientes para las antorchas MIG y con portacarrete.
La compensación de voltaje de línea mantiene constante la energía incluso si la potencia de alimentación varía ±10%.
Active Arc Stabilizer™ minimiza la limpieza de la soldadura.
(Miller, 2016)
Materiales y herramientas –
2 placas de acero A36 de 100x100x10 (mm)
–
Piqueta
–
Amoladora
–
Lima de desbaste
–
Cepillo de alambre
–
Equipo de protección de seguridad: Botas de punta de acero, careta o casco para soldar, mandil, guantes para soldadura
Características mecánicas del material base Acero al carbono estructural de acuerdo al estándar ASME/ASTM A 36/A 36M
Uso: Este grado se utiliza principalmente para perneado, atornillado, o soldados en la construcción de puentes y edificios, y para propósitos estructurales en general.
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Composición química del acero A36 Tabla 2. Composición del acero A36. Fuente: (Holdtrade, 2018)
Hasta 3/4 in.
Sobre 3/4 in. hasta 1-1/2 in.
Sobre 1-1/2 in. hasta 2-1/2 in.
Sobre 2-1/2 hasta 4 in.
Sobre 4 in.
Carbono
0.25
0.25
0.26
0.27
0.29
Manganeso
--
0.80/1.20
0.85/1.20
0.85/1.20
0.85/1.20
Fósforo
0.04
0.04
0.04
0.04
0.04
Azufre
0.05
0.05
0.05
0.05
0.05
Silicio
0.40 máx.
0.40 máx.
0.15/0.40
0.15/0.40
0.15/0.40
Cobre min % cuando se especifica de acero de cobre
0.20
0.20
0.20
0.20
0.20
* Nota: Por cada reducción de 0,01% por debajo del máximo especificado de carbono, un aumento del 0,06% de manganeso por encima de la cantidad máxima prevista será permitido, hasta el máximo de 1,35%.
Propiedades mecánicas del acero A36 Tabla 3. Propiedades mecánicas del acero A36. Fuente: (Holdtrade, 2018)
Resistencia a la tracción:
58,000 - 80,000 psi [400-550 MPa]
Min. Punto de fluencia:
36,000 psi [250 MPa]
Elongación en 8":
20% min
Elongación en 2":
23% min
Se puede suministrar:
Espesor de 6 mm a 150 mm
Ancho: de 1.500 mm a 4.100 mm
Largo: de 6.000 mm a 20.000 mm
(Holdtrade, 2018)
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Características del Electrodo ER-70S-6 Descripción: Alambre sólido cobrizado de acero dulce. Diseñado para uso general en fabricación y reparación de piezas, en acero carbono. El depósito queda casi libre de escoria y para la mayoría de las aplicaciones no requiere limpieza entre pasadas. Apto para trabajar con transferencia spray o cortocircuito. Es de excelente soldabilidad y de un fuerte poder desoxidante. Uso con CO2 puro o mezclas ArCO2, Ar-O2, etc. Puede ser usado como aporte TIG. Características:
Revestimiento cobrizado.
Toda posición.
Corriente continua, electrodo positivo (CC.EP).
Alambre solidó para proceso de soldadura con protección gaseosa.
Aplicaciones Típicas:
Recipientes a presión.
Soldadura de cañerías.
Fabricación de carrocerías.
Muebles.
Extinguidores.
Estructuras, etc.
Usos: El alambre 70S-6 se recomienda para ser usado en aceros corrientes de baja aleación. Su contenido de silicio y manganeso le confiere excelentes propiedades desoxidantes, lo que asegura una soldadura libre de porosidades sobre una amplia gama de trabajos. (INDURA, 2018) Tabla 4. Amperajes recomendados para el electrodo ER-70S-6. Fuente: (INDURA, 2018)
Diámetro Electrodo (mm) 0,9
Amperajes recomendados Amperaje Voltaje (V) mín. máx. 15 - 27 90 230
Flujo de CO 2 (lts/min) 8 - 12
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Características del Gas utilizado Dióxido de Carbono (CO 2 )
Se trata de un gas activo, por cuanto participa metalúrgicamente por acción del arco eléctrico con los elementos provenientes del metal de aporte (alambre). La mayoría de los gases reactivos, no pueden ser empleados solos: para la protección del arco eléctrico, por ejemplo, el O2, sin embargo, el CO2 es una excepción a dicha regla; su conductividad térmica es similar a la del helio, por lo qué forma del cordón se asemeja bastante al obtenido con el helio, pero cuya penetración es mayor respecto de los otros 2 gases inertes, principalmente soldando en el modo de transferencia en corto circuito. La explicación de este fenómeno reside fundamentalmente en el hecho que la recombinación del gas según la ecuación de equilibrio indicada a continuación: CO2 ⇔ CO + ½ O2 Se produce a temperaturas bajas del arco, siendo dicha recombinación exotérmica, o sea, con cesión de calor hacia la pieza que sumado al calor del arco permite fundir una mayor cantidad del metal base y consecuentemente penetrar más. Debido al efecto oxidante del gas y para evitar su reacción con el Fe y formar óxidos que luego producen porosidad, se debe emplear alambres con elementos desoxidantes, tales como Si y Mn., cuya afinidad con el O2 es mayor que la del Fe, formando compuestos a base de Si y Mn que por ser más livianos que el metal líquido; son reflotados hacia la superficie formando lagunas de silicatos. Tabla 5. Equipo de soldadura.
Orden
Marca
Modelo
1
Miller
MillerMatic 252
Descripción del equipo Equipo para realizar procesos: GMAW, FCAW Alimentación: Monofásica Rango de amperaje: 30 A –300A
Número de serie
LJ4304430B
Fotografía
2
Dióxido de Carbono
---------
GMAW Gas inerte Es un gas incoloro, denso y poco reactivo. Se logra una alta velocidad de aportación de la soldadura y una penetración profunda
----------
5. Procedimiento de la práctica Describir técnicamente según corresponda lo realizado en la práctica de laboratorio: medición y corte de material base, marcado del material base, alineación de placas (puntos), aplicación de carga. 1. Limpiar la superficie de las placas con el cepillo de alambra en las que se realizará los cordones de soldadura y la junta soldada. 2. Elegir la cara lateral de las placas que tenga una mejor planicidad y permita formar con mayor precisión un ángulo de 90° entre ellas. 3. Desbastar las superficies escogidas con la amoladora y lima de desbaste para obtener una mejor planicidad. 4. Se realizó el cepillando las placas para quita la grasa y el óxido que puedan tener las dos placas. 5. Se procedió a abrir la válvula que permite la salida del gas de protección (CO2) para realizar el proceso de soldadura GMAW. 6. Luego se procedió a definir los parámetros de soldadura de acuerdo a las tablas disponibles en el equipo para soldar, para este caso se empleó un voltaje igual a 23.8 V y una velocidad de alimentación del alambre de 325 ipm. 7. A continuación, se colocan las placas perpendiculares entre sí para realizar una junta en L. 8. Se realizaron 2 puntos en los extremos laterales de la unión para darle una fijación inicial a las placas.
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9. A continuación, se procedió a realizar tres cordones lo cual se va a utilizar el electrodo ER-70S6 con diámetro de 0.9 mm, uno de arrastre y dos de empuje. 10. El primer cordón de arrastre se lo realizó en la línea que una las placas para empezar la soldadura de filete. 11. Luego se realizaron 2 cordones de empuje en los extremos del primer cordón para terminar la soldadura de filete. 12. Una vez realizado el los cordones o la soldadura de filete, dejamos que se enfríen las placas y procedimos a remover los puntos de fijación realizados al inicio de la práctica. 13. Después colocamos las placas en la máquina de compresión para analizar si la soldadura logra doblarse o si se rompe en la parte del filete.
Procedimiento para soldadura de cordones con y sin gas de protección. 1. Primeramente, juntamos la pieza que se va a soldar. 2. Con gas, se procede a abrir la válvula del gas y ajustar el flujo de salida del gas, para continuar con la soldadura. 3. Para soldar sin gas de protección, en primer lugar se regula la velocidad de alimentación del cable o electrodo y el voltaje al cual se va a operar, hay que tener en cuenta que la velocidad y la tensión va a ser muy diferente con respecto a cuando se trabaja con gas. 4. Una vez definidos los parámetros del equipo ya sea con/sin gas se procede a continuar con la soldadura. 5. En la soldadura con gas se tiene la pistola para soldar a una distancia estable para que el gas protector haga su trabajo; en el caso de soldar sin gas, se debe mantener la antorcha a una distancia pequeña y moverse con una velocidad más rápida.
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Procedimiento de soldadura de filete. 1. Primero es necesario estabilizar las placas con los puntos de fijación en los extremos de las placas, para lograr realizar un filete uniforme. 2. Al estar fijas las placas, se procede a realizar el filete a la mitad de las placas, es decir con un ángulo de 45°. 3. A continuación, se realiza un cordón entre la placa inferior y el primer cordón, con un ángulo medio entre ellos. 4. Y finalmente, se realiza otro cordón entre la placa superior y el primer cordón, con un ángulo medio entre ellos.
6. Análisis de resultados Medición del cordón de soldadura
Donde p es la penetración, w es el ancho del cordón, r es el alto del cordón. Ord
1
Electrodo
Parámetro
Ancho Alto Arrastre/ cordón cordón Empuje [mm] [mm]
Tensión: 23.8 V ER-70S-6 Velocidad suministro Arrastre alambre: 325 ipm
5
3
Apariencia / análisis Cordón levemente uniforme en arrastre, presenta discontinuidades, y poco ancho.
2
GMAW
Polaridad: Tensión: 23.8 V ER-70S-6 Empuje Velocidad suministro alambre: 325
8
3
Codón con poca uniformidad, presenta discontinuidades, el ancho es mayor que el del cordón de arrastre.
Análisis del filete Previo a la aplicación de carga
Pase Electrodo
1
2
3
ER-70S-6.
Parámetro Tensión: 23.8 V Velocidad suministro alambre: 325
ER-70S-6
Tensión: 23.8 V Velocidad suministro alambre: 325
ER-70s-6
Tensión: 23.8 V Velocidad suministro alambre: 325
Arrastre Pierna 1 Pierna 2 Empuje [mm] [mm] Arrastre
Arrastre
Arrastre
4.5
5
3.5
Apariencia / Análisis
5.5
El filete realizado presenta una uniformidad, no presenta fisuras
4
El filete no tiene uniformidad ya que a la mitad del cordón está más angosto que la otra mitad, no presenta fisuras.
5.5
El filete presenta uniformidad visualmente, no presenta fisuras.
Fotografía
Posterior a la aplicación de carga Placa 1
Placa 2
GMAW
GMAW
Análisis y descripción de la falla Con respecto a el filete realizado para la unión de la soldadura, se puede observar que se encontraban uniformes y existió una buena unión entre las dos placas, sin embargo, en la prueba de doblado, el cordón se desprendió en una placa y tubo mas agarre en la otra, debido a la mala inclinación del electrodo en el momento de su realización, además de esto se puede observar que internamente en el cordón se encuentran leves porosidades.
7. Preguntas y/o ejercicios –
¿Qué tipos de electrodos se utilizan en proceso GMAW y cuáles son sus aplicaciones? El electrodo o metal de aporte en el proceso GMAW está cubierto por diversas especificaciones de la AWS para metales de aporte. En general, para aplicaciones de unión, la composición del electrodo es similar a la del metal base. Los electrodos utilizados para GMAW son diámetro muy pequeño. Son comunes los diámetros de 0.9 a 1.6 mm, pero pueden usarse electrodos con diámetros tan pequeño como 0.5 mm y tan grande como 3.2 mm. Como los diámetros de electrodo son pequeños y las corrientes relativamente altas, las velocidades de alimentación del alambre en GMAW son altas, desde unos 40 hasta 340 mm/s para la mayor parte de los metales.
–
¿Qué tipos de gases se utilizan en proceso GMAW y cuáles son sus aplicaciones? La función primaria de los gases de protección es impedir que la atmósfera entre en contacto con el metal de soldadura fundido. En este proceso es necesario porque la mayor parte de los metales, al calentarse hasta su punto de fusión en aire, existe una tendencia a formar óxidos y en menos cantidad nitruros.
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Argón: el argón es un gas inerte este gas es empleado para soldar metales no ferrosos y aceros inoxidables, al carbono y de baja aleación, el argón es aproximadamente 1.4 veces más denso que el aire, en tanto que la densidad del helio es de alrededor de 0.14 veces la del aire. Como el argón es más pesado es muy útil para proteger el arco y cubrir el área de soldadura en la posición plana.
Helio: el helio es un gas inerte que también es empleado para soldar metales no ferrosos y aceros inoxidables, al carbono y de baja aleación. El helio tiene mayor conductividad térmica que el argón y produce un plasma de arco en el cual la energía del arco está distribuida de manera más uniforme.
Mezclas de argón con helio: La protección con argón puro se usa en muchas aplicaciones de soldadura de materiales no ferrosos. El empleo de helio puro generalmente está restringido a áreas más especializadas porque un arco en helio tiene estabilidad limitada. Pese a ello, las características de perfil del cordón de soldadura deseables (profundo, ancho y altura) que se obtienen con el arco de helio muchas veces son el objetivo al usar mezclas de argón y helio como gas protector.
Mezclas de Argón, oxígeno y dióxido de carbono: las mezclas de argón con hasta 20% de dióxido de carbono y 3 a 5% de oxígeno son versátiles. Proveen una protección adecuada y características de arco deseables para soldar en las modalidades de spray, cortocircuito y a pulsos.
Dióxido de carbono (CO2): es un gas reactivo ampliamente utilizado en su forma pura para la soldadura por arco de metal y gas de aceros al carbono y de baja aleación. Es el único gas reactivo que puede usarse solo como protección en el proceso GMAW. La mayor velocidad de soldadura, la penetración más profunda en la unión y el bajo costo son características generales que han promovido el uso del CO2 como gas protector.
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Tipo de Gas CO2 Argón / Oxígeno Argón / Dióxido de Carbono Argón –
Aplicación Trabajos en grandes espesores de acero al carbono Transferencia globular Transferencia por corto circuito Trabajos de aceros inoxidables y baja aleación Transferencia Spray Trabajo en acero al carbono en espesores finos y medios Para trabajos con aluminio
¿Qué metales son soldable con el proceso GMAW y cuál es la modalidad de transferencia? Metales soldables Aceros de bajo y medio carbono; aceros de baja aleación, también algunos aceros inoxidables Aceros de bajo y medio carbono; aceros de baja aleación y alta resistencia. Casi cualquier metal o aleación Aluminio, níquel, aceros aleaciones de níquel
–
Modalidad de transferencia Transferencia en cortocircuito Transferencia globular Transferencia por arco de rocío Transferencia por rocío pulsante
En trasferencia de corto circuito, especifique velocidad de desplazamiento y alimentación de alambre para soldar placas de 1/4, 3/16 y 1/8 de pulgada de acero al carbono.
Espesor placa 1/4’’ 3/16’’ 1/8’’
En transferencia de Corto circuito Velocidad de Alimentación del alambre desplazamiento 22.4 290 20.8 245 20.1 190
8. Conclusiones
La mala inclinación de la pistola con un mal ángulo puede provocar que haga una penetración mayor en una sola placa que en la otra placa.
La aplicación del gas protector ayuda con la calidad de la soldadura, ya que sin el uso del gas se produce mucha salpicadura.
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Antes de empezar a realizar los filetes en la placa, es necesario fijar las placas con dos puntos en los extremos, de manera que se quede fijamente con un ángulo de 90°.
La calibración de la tensión y la velocidad de alimentación mientras se suelda hasta conseguir un sonido suave permite mejorar la calidad del cordón de soldadura.
La prueba de doblado nos permite observar y analizar la fijación de la soldadura aplicada y como reacciona ante fuerzas aplicadas a las placas.
9. Recomendaciones
Mantener una velocidad de desplazamiento constante en la realización de filetes ya que es muy importante que sea uniforme la soldadura y pueda unir las 2 placas correctamente.
En el momento de hacer la soldadura de filete es muy importante mantener la pistola en un ángulo medio para pueda juntar la soldadura de manera que las placas se encuentre bien unidas en sí.
Es necesario limar la parte de contacto de la placa que se va unir con la otra placa, con el fin de disminuir las imperfecciones que tiene, para lograr un ángulo recto en el momento de la unión.
Se recomienda no pegar o topar completamente la punta de la pistola para soldar ya que se puede quemar.
Se recomienda remover los puntos de fijación para aplicar la carga a las placas para la prueba de doblado.
10. Anexo
Realizar en formato A4 el dibujo de las placas, cumpliendo con lo establecido en el Código de dibujo Técnico Mecánico según la INEN para cotas y para simbología de soldadura según el AWS.
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YO RODNEY KEVIN CHACHA PASTÁS CON C.I. 172541400-5 DECLARO BAJO JURAMENTO QUE EL TRABAJO AQUÍ DESCRITO ES DE MI AUTORÍA.
FIRMA
_________________________ Nombre: Rodney Kevin Chacha Pastás CI: 172541400-5
