MONOGRAFÍA ELABORACIÒN DE UN PROCEDIMIENTO PARA SOLDAR ACEROS ALEADOS COMO EL AISI-SAE 4140 Y ASTM A-36
ERNESTO VASQUEZ VASQUEZ INGENIERO INDUSTRIAL TECNÓLOGO MECÁNICO
UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA DEPARTAMENTO DE POSTGRADOS ESPECIALIZACIÓN EN SOLDADURA BOGOTÁ D.C. 2012
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MONOGRAFÍA ELABORACIÒN DE UN PROCEDIMIENTO PARA SOLDAR ACEROS ALEADOS COMO EL AISI-SAE 4140 Y ASTM A-36
ERNESTO VASQUEZ VASQUEZ INGENIERO INDUSTRIAL TECNOLOGO MECANICO
MONOGRAFÍA PRESENTADA PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE ESPECIALISTA EN SOLDADURA
UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA DEPARTAMENTO DE POSTGRADOS ESPECIALIZACIÓN EN SOLDADURA BOGOTÁ D.C. 2012
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MONOGRAFÍA ELABORACIÒN DE UN PROCEDIMIENTO PARA SOLDAR ACEROS ALEADOS COMO EL AISI-SAE 4140 Y ASTM A-36
ERNESTO VASQUEZ VASQUEZ INGENIERO INDUSTRIAL TECNOLOGO MECANICO
MONOGRAFÍA PRESENTADA PARA OPTAR POR EL TÍTULO DE ESPECIALISTA EN SOLDADURA
UNIVERSIDAD LIBRE DE COLOMBIA DEPARTAMENTO DE POSTGRADOS ESPECIALIZACIÓN EN SOLDADURA BOGOTÁ D.C. 2012
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CONTENIDO
Pág.
TITULO
5
1. DESCRIPCIÒN DEL PROBLEMA
6
2. ANTECEDENTES
10
3. JUSTIFICACIÒN
16
4. OBJETIVOS
17
4.1. GENERAL
17
4.2. ESPECIFICOS
17
5. MARCO TEÓRICO
18
5.1 ACERO AISI 4140
18
5.2 ACERO ASTM A36
20
5.3 OXIDACION DE LOS ACEROS
22
5.4. FICHA TÉCNICA DE LA SOLDADURA
29
5.5. DIMENSIONES DE LA PROBETA DE TENSIÓN
31
5.6. DISEÑO DE LA JUNTA
32
3
6. METODOLOGÍA
33
7. DESARROLLO
34
7.1. CERTIFICADOS DE CALIDAD DE LOS MATERIALES
34
7.2. ELABORACION DE WPS (ver anexo)
48
8. RESULTADOS Y ANALISIS
49
9. CONCLUSIONES
51
BIBLIOGRAFÍA
52
ANEXOS
53
4
TITULO
Elaboración de un procedimiento de soldadura para soldar aceros aleados como el AISI-SAE 4140 y ASTM A36
5
1.
DESCRIPCION DEL PROBLEMA
En los últimos años los diseñadores y calculistas de estructuras, han introducido dentro de sus materiales el acero AISI Y SAE 4140 para efectuar sus diseños, utilizado especialmente en la fabricación de los anclajes para edificaciones que deben soportar la carga de las estructuras metálicas y este material a su vez (anclajes en AISI Y SAE 4140) deben soldarse a una platina base ASTM-A36. (Ver Figura1)
DETALLE DE ANCLAJES AISI-SAE 4140 EMBEBIDOS EN EL CONCRETO, SOLDADOS A PLATINA A-36
A Viga de concreto
A
6
Figura 1 (Anclaje en platina ASTM-A36 y Pernos en acero 4140) CORTE A-A CONCRETO
PLATINA BASE ASTM A36
Espesor 1”
E-XXXX SOLDADURA DE TAPON
ANCLAJES SAE 4140 (B7)
Esta platina base de acero ASTM A36 recibe los pernos que se soldán para que quede conformado un solo elemento (Anclaje) que debe soportar los esfuerzos transmitidos por las vigas estructurales que se conectan a las platinas por proceso de soldadura.
7
Este acero AISI 4140 es preferido debido a su alta resistencia a la torsión y a la tracción, que oscila entre 69.740- 89.020 Kg/ mm 2 (ver certificado de calidad Aceros Industriales1) Las condiciones metalúrgicas no son las más apropiadas, debido a que se debe conectar un perno de diámetro de ¾” acero SAE 4140 con platina base de 1”de espesor ACERO ASTM A36, (Ver figura 1) mediante soldadura de tapón, siendo el perno de mayor resistencia que la platina. Esta conexión no puede llevarse a cabo mediante perno roscado porque necesitamos una superficie plana, ya que la platina base debe quedar lisa para soldar las vigas que allí conecten. Por lo anterior se debe soldar mediante soldadura de tapón y por esta razón, se requiere de un procedimiento de soldadura para avalar esta unión. La tabla No.1. Muestra los valores de las propiedades mecánicas.
Tabla no.1 Propiedades mecánicas2 ACERO
AISI 4140……
ASTM A36
Resistencia a la tracción
126.K.S.I a 152.K.S.I
56 a 80 K.S.I
Limite de Fluencia
100.K.S.I
36. K.S.I
Todas las condiciones anteriores indican que estos aceros cuando se emplea el proceso de soldadura S.M.A.W. no se pueden soldar con un electrodo convencional (AWS E-7018), dado que el acero AISI 4140 supera en resistencia al electrodo 7018 y por eso debemos recurrir a la selección de un electrodo que nos sirva para los dos aceros.
1
Certificado de calidad ACASA
2
Fuente catalogo ACASA
8
Para llevar cabo nuestro procedimiento de soldadura, seleccionamos un electrodo AWS E9018G, de acuerdo con el cálculo efectuado que se encuentra en la metodología contenida en las páginas 28, 29,30 y 31 Este electrodo nos garantiza una resistencia mínima de 90.000 P.S.I. que es la resistencia del acero AISI 4140 y está por encima de la resistencia del acero ASTM A36, lo cual nos garantiza que si la aplicación del electrodo se hace siguiendo las recomendaciones del fabricante y se mantienen las condiciones de precalentamiento, los ensayos mecánicos estarán garantizados.
9
2. ANTECEDENTES
Título: Evaluación a la fisuración en frio de un acero de alta resistencia. 3 Los ingenieros H.J Quesada, M Salazar, con el apoyo de CONARCO ELECTRODOS en Buenos Aires (Argentina) evaluaron la fisuracion en frio mediante ensayos de Tekken, Slot y WIC, y registraron los parámetros y ciclos térmicos de las soldaduras en aceros 4140, para efectos de relacionarlos con la condición fisura/no fisura. Las uniones se realizaron con el proceso de soldadura manual por arco con electrodo revestido (SMAW), empleándose electrodos celulósicos E8010 G y los procesos semiautomáticos con protección gaseosa y alambre macizo (GMAW) utilizando electrodos ER80S-D2 y con protección gaseosa y electrodo tubular (FCAW) con aporte E110T5-K4. Se realizaron estudios macroscópicos, microscópicos y mediciones de dureza en el metal de aporte y en la ZAC. Los resultados mostraron un comportamiento dispar. Mientras que para los ensayos Slot y WIC una temperatura de precalentamiento de 250 ºC resulta adecuada para evitar fisuras. Para el ensayo Tekken, utilizando los procesos SMAW y GMAW, no fue suficiente. Los tiempos de enfriamiento entre 800 y 500 ºC (t8/5) mayores a 22 s garantizarían la no fisuración. No se encontraron disminuciones significativas en las durezas con el aumento de la temperatura de precalentamiento.
3
Página internet www.materiales-sam.org.ar (universidad nacional de Comahue)
10
Aporte del artículo: Durante los ensayos se pudo establecer que a las probetas que se les hizo precalentamiento a 250ºC, no presentaron figuración, es decir, que ya hay parámetro valioso para efectuar el procedimiento de soldadura.
ENSAYO TEKKEN-SLOT y WIC El fenómeno de fisuración en frío es de tal importancia práctica que se han desarrollado numerosos ensayos para estudiar la susceptibilidad de un material a la misma, permitiendo establecer una temperatura de precalentamiento adecuada que garantice una soldadura libre de fisuras. El ensayo TEKKEN, SLOT, y WIC son análisis experimentales mediante ensayos de soldabilidad a fin de establecer la temperatura de precalentamiento y el aporte térmico más adecuados para evitar la aparición de fisuras y de esta forma asegurar la integridad estructural de la unión soldada.
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GRAFICOS DE LAS PROBETAS TEKKEN, SLOT Y WICC ProbetaTEKKEN
Figura 2. Probeta TEKKEN Y Slot
12
4
PROBETA WICC
Figura 3. Probeta WICC
4
Página internet www.materiales-sam.org.ar (universidad nacional de Comahue)
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Título del artículo: Soldadura de aceros inoxidables y disimiles5 Desde Republica Dominicana el Ing. Alexander Saavedra comparte su experiencia en el área de soldaduras relacionadas con aceros inoxidables martensiticos y soldaduras de aceros disimiles. En este recuento el Ing. Alexander Saavedra nos recomienda la forma más acertada de soldar aceros inoxidables martensíticos, basado en su experiencia como ingeniero de obras en su país Republica Dominicana. En su análisis él recomienda el precalentamiento que debe hacerse a un acero de estas características y el tipo de electrodo a utilizar
Aceros inoxidables martensíticos: Los aceros inoxidables martensíticos son endurecidos por tratamiento térmico y son magnéticos. Los de bajo contenido de carbono hacen que se puedan soldar sin precauciones especiales. Los tipos con más de 0,15% de carbono tienden a ser endurecidos al aire y, por tanto, se requiere de precalentamiento y postcalentamiento de soldaduras. Un rango de temperatura
de
precalentamiento
de
230-290°C
se
recomienda.
Un
postcalentamiento se debe seguir inmediatamente a la aplicación de la soldadura y debe estar en el rango de 650-760°C, seguido de un enfriamiento lento. El acero tipo 416 se usa para mecanizado no debe ser soldado. Los procesos de soldadura que tienden a aumentar la recolección de carbono no son recomendables. Aumentar el contenido de carbono genera mayor sensibilidad a las grietas en el área de soldadura.
5
[email protected]
14
Metales de aporte: La selección de la aleación de metal de aporte para la soldadura de los aceros inoxidables se basa en la composición del acero inoxidable. El metal de aporte de diversas aleaciones está normalmente disponible como electrodos cubiertos, y desnudos como alambres sólidos. Recientemente
electrodos tipo “alambres con núcleo fundente” se han desarrollado para la soldadura de aceros inoxidables. Las aleaciones de aporte para la soldadura de los diversos aceros inoxidable son: Cr-Ni-Mn (AISI N º 308), Cr-Ni-austenítico (AISI N º 309, 310, 316, 317, 347), Crmartensíticos (AISI N º 410, 430); Cr-ferríticos (AISI N º 410, 430, 309, 502). Es posible soldar diferentes metales de base inoxidable con la misma aleación de metal de aporte.
Aporte del artículo: Se concluye, que las recomendaciones de temperaturas de precalentamiento entre 230º y 290º, son indispensables para evitar fisuraciones en el depósito de soldadura. Esa temperatura de precalentamiento, coincide con la de otras investigaciones efectuadas.
15
3. JUSTIFICACIÒN
Una de las razones fundamentales para mejorar la calidad de las uniones soldadas, es que las estructuras deben ser construidas de tal forma que garanticen la estabilidad de las mismas. Por lo anterior se hace indispensable elaborar un procedimiento WPS para soldar estos materiales disimiles y así evitar futuros daños por malas aplicaciones en las cuales se generen sobrecostos por garantía de las estructuras. Es indispensable durante el proceso de elaboración del procedimiento de soldadura, validar
los valores de las variables que se utilicen durante el
procedimiento
soldadura
de
como:
tipo
de
unión,
temperatura
de
precalentamiento, ángulo de la probeta amperajes, voltajes (utilizar los voltajes y amperajes recomendados por el fabricante de soldadura), bajo el código A.W.S. D.1.1.
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4. OBJETIVOS
4.1. GENERAL Elaborar un procedimiento de soldadura para soldar aceros aleados como el AISI - SAE 4140 y ASTM A36
4.2. ESPECÍFICOS 1. Identificar las mediciones obtenidas como voltaje, amperaje, requeridas durante la elaboración del procedimiento, para plasmarlas en el W.PS. 2. Establecer el comportamiento mecánico de los ensayos requeridos para la calificación del procedimiento de soldadura. 3. Obtener los documentos técnicos correspondientes como: W.P.S, P.Q.R.
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5. MARCO TEORICO
5.1. ACERO AISI 4140 1. Descripc ión: es un acero medio carbono aleado con cromo y molibdeno de alta
templabilidad y buena resistencia a la fatiga, abrasión e impacto. Este acero puede ser nitrurado para darle mayor resistencia a la abrasión. Es susceptible al endurecimiento por tratamiento térmico. . 2. Norm as involucradas: ASTM 322 3. Prop iedad es m ecánic as: Dureza 275 - 320 HB (29 – 34 HRc)
Esfuerzo a la fluencia: 690 MPa (100 KSI) Esfuerzo máximo: 900 - 1050 MPa (130 - 152 KSI) Elongación mínima 12% Reducción de área mínima 50% 4. Pro pi edad es f ísi cas :
Densidad 7.85 g/cm3 (0.284 lb/in3) 5. Usos: se usa para piñones pequeños, tijeras, tornillo de alta resistencia,
espárragos, guías, seguidores de leva, ejes reductores, cinceles, engranajes, cigüeñales, cilindros de motores, bielas, rotores, arboles de turbinas a vapor, ejes traseros, tuercas y pernos sometidos a exigencias de torsión e impacto 7. Tratam ien to s t é rm ico s: se austeniza a temperatura entre 830 - 850 °C y se da
temple en aceite. El revenido se da por dos horas a 200°C para obtener dureza de 57 HRC y si se da a 315°C la dureza será de 50 HRC. Para recocido se calienta entre 680 – 18
720°C con dos horas de mantenimiento, luego se enfría a 15°C por hora hasta 600°C y se termina enfriando al aire tranquilo. Para el alivio de tensiones se calienta entre 450 – 650°C y se mantiene entre ½ y 2 horas. Se enfría en el horno hasta 450°C y luego se deja enfriar al aire tranquilo.
8. Características del ACERO AISI 4140.6 El acero AISI 4140 es uno de los aceros de baja aleación más populares por el espectro amplio de propiedades útiles en piezas que se someten a esfuerzo, con relación a su bajo costo. Al templarlo se logra muy buena dureza con una gran penetración de la misma, teniendo además un comportamiento muy homogéneo.
En el caso de aplicaciones para ejes superiores a 3” de diámetro se sugiere emplear acero AISI 4340 a 34 CrNiMo6.
Tabla 2. APLICACIONES DEL ACERO AISI SAE 4140 La tabla siguiente muestra las normas de la clasificación del acero AISI SAE 4140 ACEROS
PARA
AISI SAE 4140
W. Nr.
DIN
4140
1.7225
42CrMo4
MAQUINARIA Barras Bonificadas
Tabla 3. COMPOSICIÓN QUÍMICA DEL ACERO AISI SAE 4140 La tabla siguiente especifica la composición química del ACERO AISI 4140 c
Si
Mn
P
S
Cr
Mo
0,38-0,43
< 0,4
0,75-1
< 0,035
< 0,04
0,8-1,1
0,15-0,25
6
www.thyssenkrupp.cl
19
5.2. ACERO ASTM A367 Propiedades: El acero ASTM A36, tiene una densidad de 7850 kg/m³ (0.28
lb/in³). El acero A36 en barras, planchas y perfiles estructurales con espesores menores de 8 plg (203,2 mm) tiene un límite de fluencia mínimo de 250 MPA (36 ksi), y un límite de rotura mínimo de 410 MPa (58 ksi). Las planchas con espesores mayores de 8 plg (203,2 mm) tienen un límite de fluencia mínimo de 220 MPA (32 ksi), y el mismo límite de rotura. Formas: El acero ASTM A36 se produce en una amplia variedad de formas,
que incluyen: Planchas Perfiles estructurales Tubos Barras Láminas 36 (NTC 1920)
7
www.acasa.com.co
20
Es un acero estructural al carbono, utilizado en construcción de estructuras metálicas, puentes, torres de energía, torres para comunicación y edificaciones remachadas, atornilladas o soldadas, herrajes eléctricos y señalización.
Tabla 4. Acero ASTM A - 36 (NTC 1920) Com po sición qu ím ica d e la c olada
Carbono (C)
0,26% máx.
Manganeso (Mn)
No hay requisito
Fósforo (P)
0,04% máx.
Azufre (S)
0,05% máx.
Silicio (Si)
0,40% máx.
* Cobre (Cu)
0,20% mínimo
Pro pied ades Mecánic as
Límite de fluencia mínimo
Resistencia a la Tracción
Mpa
psi
250
Psi
36000
Mpa
Min
Máx.
Min
Máx.
58000
80000
400
550
21
5.3 OXIDACION DE LOS ACEROS Título del articulo Oxidación de los aceros de baja aleación y aleados. 8 En este artículo técnico, el autor nos define las diferentes formas de oxidación de un acero, detallando minuciosamente cada uno de los factores que intervienen en este fenómeno, que afecta directamente las características y propiedades de los aceros. En la oxidación de los aceros intervienen elementos presentes en el medio ambiente en los que se destacan: oxidación atmosférica, ambientes industriales, oxidación microbiológica, ambientes marinos, el Hidrogeno, contacto con el suelo y fenómenos físicos como: la fricción, cavitación, la erosión, la temperatura, la tensión, la fatiga, corrosión galvánica, corrosión intergranular De las diferentes formas presentes en la oxidación de los aceros, destacamos la oxidación en un ambiente industrial (Corrosión en contacto con el Hormigón) que corresponde a nuestro caso, ya que el acero que se está soldando va a quedar embebido en hormigón y representa nuestro caso, que corresponde a la unión de dos aceros disimiles: acero ASTM- A36 Y AISI 4140, correspondiente a un a acero de baja aleación y un acero de mediana aleación.
Corrosión en Contacto con el Hormigón Cuando las armaduras de acero entran en contacto con el hormigón o para nuestro caso, los anclajes quedan embebidos en concreto, las condiciones de potencial de corrosión y PH, sitúan al acero en condiciones de pasividad. En consecuencia la velocidad de corrosión del acero es prácticamente despreciable.
8
www.es.scribd.com
22
Sin embargo determinadas circunstancias pueden variar y llevar los aceros a que se oxiden a velocidades que causan el deterioro de las propiedades mecánicas del acero. Por lo anterior, es importante conocer cuáles son los factores que me determinan esas oxidaciones y cuáles son sus consecuencias:
Consecuencias de la oxidación por hormigón armado:
Disminución de la sección del acero produciendo perdida de resistencia del acero.
Perdida de adherencia entre acero y hormigón, producto de la reducción de sección del acero.
Factores que generan la oxidación del acero y el hormigón:
La carbonatación del hormigón (formación de hidróxidos de calcio por efectos del CO2 presentes en el aire o agua) lo que provoca reducciones del PH por debajo de 9, esto hace que el acero se situé en la región de corrosión, lo que produce una aceleración en la oxidación del acero.
El acceso de iones agresivos como cloruros hasta la armadura, que rompe la capa pasiva originando oxidación en el acero.
Tensiones presentes en las armaduras
Hormigones fabricados con cementos luminosos, estos últimos prohibidos por favorecer la presencia de hidrogeno atómico y su intersección en la armadura produciendo fragilizarían en el acero.
23
Recomendaciones para evitar la corrosión en armaduras de Hormigón
Trabajar las relaciones agua cemento lo más bajas posibles, obtener buenos acabados superficiales, evitando porosidades en el concreto que permitan la entrada de oxigeno a la armadura, cuyo componente está presente en el agua.
Evitar esfuerzos ante que el hormigón este completamente curado
Evitar la presencia de cloruros
Aplicar recubrimientos al cero antes de integrarla con el concreto.
Uno de los aceros más comúnmente utilizados en la fabricación de estructuras es el acero AST-A36, utilizado en cubiertas, edificios metálicos, bodegas industriales, tanques y otras aplicaciones. A excepción de los puentes, el acero ASTM- A36 cumple muy bien con las exigencias mecánicas impuestas. A continuación vamos a detallar las clases de corrosión más significantes en los aceros:
Corrosión Uniforme: La corrosión química o electrolítica actúa uniformemente sobre toda la superficie del metal.
Corrosión Galvánica: Ocurre cuando dos metales diferentes entran en contacto, ambos metales poseen potenciales eléctricos diferentes, lo cual favorece la aparición de un metal como ánodo y otro como cátodo, a mayor diferencia de potencial el acero con más activo será el ánodo (efectos superficie).
24
Corrosión intergranular: Se produce en los límites de grano del material, ocasiona pérdidas de resistencia del material, común en aceros inoxidables. Este tipo de oxidación es un ataque de corrosión localizada en los límites de grano de una aleación, en condiciones ordinarias, si un metal se corroe uniformemente, los límites de grano serán solo ligeramente más reactivos que la matriz. Un caso típico de oxidación intergranular se da en los aceros inoxidables cuando hay perdida de Cromo (Cr) alrededor de los limites de grano, debido a la precipitación de carburos de Cromo cuando es sometido a temperaturas entre (400 C° y 800 C°), en esas zonas el material pierde resistencia a la corrosión. Lo anterior es debido a tratamientos térmicos (recocido o relevado de tensiones) mal efectuado, exposición térmica prolongada y procesos de soldadura mal ejecutados.
Corrosión por picadura: Se presentan como agujeros producidos por agentes químicos, se pueden encontrar en la superficie del metal en forma de túneles pequeños y a escala microscópica.
Corrosión por fatiga: Pierde las propiedades mecánicas, cuando se rompe la película de oxido, produciendo una mayor exposición.
Corrosión por fricción: Se produce por la fricción entre dos metales, ya que el calor producido por el mismo rozamiento, elimina el óxido de protección.
Corrosión por tensión: Cuando se somete el material a cargas excesivas que sobrepasan su resistencia mecánica, la oxidación aparece en forma de fisuras.
Corrosión por Erosión: Causada por la misma erosión, que se generan al entrar en contacto por agentes químicos y gases.
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Corrosión Atmosférica: Producida por una acción agresiva del ambiente sobre los metales, donde interviene el agua y el aire, en la que los dos contiene oxigeno. (Ver figura 6) No se recomienda utilizar el acero ASTM-A36, en ambientes que exijan exposición térmica, es decir, altas temperaturas, ya que la resistencia mecánica se reduce severamente conforme aumenta la temperatura de trabajo.
Corrosión por fragilización por Hidrogeno: Este tipo de fragilización donde se puede presentar este tipo de oxidación, se presenta en aceros de alta resistencia y medianamente aleados como el acero AISI 4140. Recomendaciones para evitar la oxidación de los aceros utilizados en procesos industriales como el ASTM-A36 y que están expuestos al medioambiente.
Someter las estructuras a una limpieza según la norma S.P.C. (The society of protective coatings), utilizando un grado de limpieza acorde con el perfil de anclaje requerido y tipo de pintura a utilizar. (Ver figura 4)
Para estructuras comunes de cubierta utilizar la limpieza grado comercial SPCSP6, la cual corresponde a una limpieza grado comercial.
Utilizar pintura como protección de las estructuras expuestas al medio ambiente, donde hay presencia de oxigeno. En ambientes normales utilizar pinturas alquídicas y en ambientes más agresivos (sales marinas) utilizar pinturas epoxicas. (Ver figura 5.)
26
Figura 4. (Proceso de samblasting por chorro de arena)
Figura 5 (Protección de las estructuras mediante pintura alquidica)
27
Figura 6. (Oxidación presentada por una mala protección industrial)
Para lograr el grado de limpieza requerido en las estructuras, se utiliza el arenado a presión (samblasting), que consiste en impulsar arena por medio de aire a una presión de 100 Psi. Las boquillas de estos equipos de samblasting son en Wolframio, ya que estas deben ser resistentes al desgaste producido por el paso constante de arena, que genera fricción.
28
5.4 FICHA TECNICA DE LA SOLDADURA9 IDENTIFICACIÓN
:
WEST ARCO E9018-G
CLASIFICACIÓN
:
AWS E9018-G
ESPECIFICACIÓN
:
AWS A5.5 NTC 2253, ASME SFA 5.5
CARACTERISTICAS SOBRESALIENTES: El WI 918G es un electrodo de bajo hidrogeno, bajamente aleado con niquel el cual le da al deposito buenas propiedades de resistencia al impacto a baja temperatura.
APLICACIONES TIPICAS: Se recomienda en aquellos aceros cuya resistencia a la traccion sea hasta de 90.000 PSI. Se puede trabajar en aceros fundidos de alta resistencia mecanica, en aceros para plantas nucleares, etc.
RECOMENDACIONES PARA SU APLICACIÓN: Mantenga un arco corto y evite movimientos bruscos del electrodo. Trabaja con corriente continua, polaridad invertidad (+) y con corriente alterna (con 75 voltios en vacio como minimo). En posiciones difer entes a la plana, utilice electrodos hasta de 4.0 mm (5/32”) de diametro.
Tabla 5. Propiedades Mecánicas Resistencia a la tracción : 63-70 Kg/mm 2 (90-100K ) Limite de fluencia: 54-61 Kg/mm 2 (77-87K ) Elongaciòn 20-30% Resistencia al impacto Charpy en V a 20ºC: 40-160 joules
Nota: Ensayos realiados según AWS A5.5
Tabla 6. Composición química típica del metal depositado Carbono 9
0.08 % max.
Magnesio
www.westarco.com
29
0.90 -1.25 % max
Silicio
0.60 % max
Azufre
0.03 % max
Molibdeno
0.10 – 0.30 % max
Fòsforo
0.03 % max
Niquel
1.70 - 2.30 %
Vanadio
0.05 % max
DIMENSIÓN
AMPERAJES RECOMENDADOS
2.4 X 300 mm (3/32”)
70 – 100 A
3.2 X 350 mm (1/8”)
100 – 145 A
4.0 X 350 mm (5/32”)
135 – 200 A
4.8 X 350 mm (3/16”)
170 – 270 A
6.4 X 450 mm (1/4”)
240 – 400 A
30
5.5. DIMENSIONES DE LA PROBETA DE TENSION10
Figura 7 (Dimensiones probeta de tensión, según ASTM A370-03a)
10
NORMA A370
31
5.6. DISEÑO DE LA JUNTA11
Figura 8. (Uniones a tope directas, según norma NTC- 4040)
11
NORMA NTC 4040
32
6.
METODOLOGIA
La calificación de este procedimiento involucra las siguientes actividades: 1.
Recopilación de la
información acerca de la composición química,
propiedades mecánicas de los aceros a soldar (certificados de calidad de los materiales). 2.
Selección del electrodo para proceso de soldadura con electrodo revestido
SMAW. 3.
Elaboración del W.P.S.
4.
Precalentamiento el acero AISI 4140 entre 200ºC y 250ºC, según
recomendaciones del fabricante. 5.
Aplicación de la soldadura a los aceros AISI 4140 y ASTM A36
6.
La calificación de este procedimiento se hará bajo el código A.W.S.D.1.1. y
la NORMA NTC 4040. 7.
Una vez soldadas las probetas, se llevan al laboratorio de ensayos
mecánicos, el cual debe estar certificado. En nuestro caso el laboratorio seleccionado es el laboratorio de la WEST ARCO. 8.
Recopilación de los ensayos mecánicos efectuados. Estos documentos
serán anexados como soporte técnico de la calificación. 9.
Recopilación de ensayos metalográficos y de dureza
10.
Elaboración del W.PS. y P.Q.R.
33
7.
DESARROLLO
7.1 CERTIFICADOS DE CALIDAD DE LOS MATERIALES ACERO ASTM A-36
Figura 9. (Certificado de material acero ASTM A-36)
34
Figura 10. (Certificado del acero AISI 4140)
35
SELECCCIÒN DEL ELECTRODO Para hacer la selección del electrodo se deben tener en cuenta las siguientes variables:
-Composición química del metal base: Los aceros a soldar corresponden a un acero medianamente aleado (AISI 4140) con un porcentaje medio de carbono y un acero ASTM A-36, el cual contiene un porcentaje medio de carbono.
-Propiedades mecánicas: El acero AISI 4140 normalizado tiene una resistencia a la fluencia de 69,74 Kg/mm2 (98.928 Psi) y una resistencia máxima a la tracción de 89,02 Kg/mm2 (130.241 Psi) y el acero A-36 tiene una resistencia mínima a tracción de 58.000 Psi. y una máxima de 80.000 Psi.
-Precalentamiento: De acuerdo a recomendaciones del fabricante y ensayos efectuados con aceros AISI 4140, estos se deben precalentar entre 250°C y 350°C. También el fabricante de electrodos OERLIKON recomienda la siguiente formula para hallar la temperatura de precalentamiento, según la ecuación de zeferian 12
Figura 11. Fórmulas para hallar la temperatura de precalentamiento según método de ZERAFIAN 12
www.oerlikon.com
36
-Definición de la nomenclatura utilizada en las formulas TP: Temperatura de precalentamiento Ct: Sumatoria del Carbono equivalente y Composición química del caro Cq: Composición química del acero Ce: Carbono equivalente -Pasos para hallar la temperatura de precalentamiento de un acero 4140 según método de ZEFERIAN TP=350√ (Ct-0,25) Dónde: Ct=Cq+Ce Cq=C+Mn+Cr + Ni + Mo 9
18
13
Cq=0,4+(0,78+0,93)+ 0,090+ 0,170 9
18
13
Cq= 0,4+0,112+0,005+0,01308
Cq=0,53008 Ce=0,005x e(mm) x Cq Ce=0,005 x 19 mm x 0,53008
Ce= 0,05036 Ct= Cq+Ce Ct=0,53008+0,05036
Ct= 1,03368
TP=350 √ (1,03368-0,25) TP=310°C De acuerdo al resultado obtenido 310°C, comprobamos que utlizando un método probado técnicamente, obtenemos valores similares a los recomendados en los artículos técnicos investigados.
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Calculo de capacidad de tensión acero AISI SAE 4140 Tn=0,9 Fy A Fy=70 Kg/mm2
D= 3/4” A= π * r2 = 286 mm2 Tn=0,9* 70 Kg/ mm2 * 286 mm2
Tn= 18.120 Kg.
δ= 18120 Kg = 286 mm2 δ=
63, 36 Kg/ mm2
El acero ASTM A-36, no requiere precalentamiento de acuerdo a la tabla 3.2. del A.W.S..D.1.1. Solo los espesores superiores a ¾” requieren precale ntarse a 65°C.
Calculo de capacidad de tensión acero ASTM-A 36 Tn=0,9 Fy A Fy=25,3 Kg/mm2
D= 3/4” A= π * r2 = 286 mm2 Tn=0,9* 25,3 Kg/ mm2 * 286 mm2
Tn= 6.512 Kg.
δ= 6.512 Kg = 286 mm2 δ=
22,76 Kg/ mm2
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Calculo de la soldadura Área efectiva de la soldadura x el espesor efectivo de la garganta
¢Rn=0,8*0.6*Fexxx * A Electrodo 7018= 48,95 Kg/mm2 FE-7018= 48,95 Kg/mm2 A= π * r2 * 10 mm =2860 mm ¢Rn=0,8*0.6*48,95Kg/mm2 * 2860 mm2= 67.200 Kg. δ=
67.200 Kg = 23,49 Kg/mm2 2860 mm2
δ=
23,49 Kg/mm2
El resultado me da muy cerca al límite de la resistencia del ASTM-A36. Por lo anterior selecciono un electrodo de más resistencia para garantizar que me cumpla con la resistencia de la junta.
Electrodo 9018= 63,5 Kg/mm2 ¢Rn=0,8*0.6*63,5/mm2 * 2860 mm2= 87.170 Kg. δ=
87.170 Kg = 30,48 Kg/mm2 2860 mm2
δ=
30,48 Kg/mm2
Con el resultado anterior, efectuado con un electrodo E-7018 nos da una resistencia de 23,49Kg/mm2 muy cerca o igual al del acero ASTM-A36. Debido a que necesitamos que la resistencia de la junta sea superior al resistencia del metal base, hacemos el cálculo con un electrodo de mayor resistencia, para nuestro caso un electrodo bajo Hidrogeno E-9018. Con este cálculo observamos que la resistencia de la junta me da por encima del metal base y garantizo que la resistencia de la junta de soldadura este por encima del metal base.
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-Posición de soldeo: La posición de soldeo que se requiere es plana (1G). En esta posición se pueden soldar todos los electrodos existentes en el mercado. -Tipo de corriente: Se cuenta con un equipo LINCOLN RX 330 lo cual nos sirve para aplicar electrodos de hasta 3/16” los cuales deben fundirse a 270 A. -Diseño de la junta: Se seleccionó una junta en ranura en V doble, de acuerdo con la norma NTC 4040 (ver fig. N°3). -Selección del electrodo: De acuerdo con el análisis efectuado anteriormente, el cálculo efectuado a la junta de soldadura y teniendo en cuenta todas las recomendaciones para la selección de electrodo: composición química, propiedades mecánicas, posición de soldeo y tipo de corriente, los catálogos de fabricantes de este tipo de electrodos nos recomiendan utilizar un electrodo AWS E-9018G.
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FICHA TECNICA DE LA SOLDADURA13
Figura 12. (Certificad de calidad electrodo AW.S. E-9018G)
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www.westarco.com
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Figura13. EQUIPO LINCOLNB RX 330 UTILIZADO PARA APLICACION DE LA SOLDADURA
Fuente: autor del proyecto Para efectuar la soldadura de las probetas se utilizo un equipo LINCOLN ELECTRIC RX300, lo cual nos permite fundir el diametro del electrodo sin ningun inconveniente.
Figura 14. VARILLAS EN ACERO ASTM A36 Y AISI 4140 BISELADAS
Fuente: autor del proyecto En la foto anterior se evidencia las tres probetas maquinadas a 45º, como especifica la norma.
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Figura 15. PROBETAS APUNTADAS PARA EL INICIO DEL PROCESO DE SOLDADURA ACERO 4140 ACERO ASTM A-36
Fuente: autor del proyecto En la grafica se observa las probetas apuntadas, listas para iniciar el proceso de soldeo.
Figura 16. PROBETAS SOLDADAS
Fuente: autor del proyecto Probeta soldada, utilizando el W.P.S. descrito en el anexo, para soldar aceros 4140 y ASTM A-36.
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Figura 17. LIMPIEZA DE PROBETAS
Fuente: autor del proyecto Alistamiento de las tres (3) probetas para ser llevadas al laboratorio.
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Figura 18. GRAFICOS DE LAS PROBETAS AMPLIADAS A 50X
Fuente: autor del proyecto
Figura 19. (IMAGEN DEL CORDON DE SOLDADURA OBSERVADO EN EL MICROSCOPIO A 100X
Fuente: autor del proyecto
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FIGURA 20. (MICROESTRUCTURA DEL DEPOSITO DE SOLDADURA VISTA AL MICROSCOPIO A 100X)
Fuente: autor del proyecto FERRITA
PERLITA
En la figura se observa que en la microestructura del cordón de soldadura existen dos microconstituyentes identificados, la ferrita de color claro y la perlita de tonos oscuros debido a las bandas de ferrita alternadas con cementita. Este tipo de microestructura es la normal que se encuentra en un proceso de soldadura de estas características, en aceros al Carbono por debajo del 0,85% de C y en temperaturas por debajo de los 723º C.
La perlita aparece en general en el enfriamiento lento de la austenita y por la transformación isotérmica de la austenita en el rango de 650 a 723°C. Analizando el tipo de microconstituyente encontrado en la soldadura, se puede concluir que el Cordón de soldadura está dentro de las especificaciones técnicas
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requeridas , ya que no se aprecia formación de microconstituyentes como la Martensita, lo cual sería un indicio de que tendríamos una estructura frágil.
FIGURA 21. IMAGEN DEL CORDON DE SOLDADURA OBSERVADO A 100XX
FERRITA
PERLITA
La figura 21. Se observa la misma característica del grafico xxxx donde la Ferrita y Perlita se encuentran presentes en la microestructura en proporciones equivalentes. Por lo anterior también se puede concluir que los microconstituyentes encontrados son los que se encuentran en una dilución de estas características.
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TABLA 7. PRUEBA DE DUREZA EFECTUADA A LAS PROBETAS
Analizando las durezas de las probetas, se observa que estas se encuentran dentro de los rangos del acero y viendo los microconstituyentes encontrados, corresponden a las durezas obtenidas, siendo esta una soldadura que se puede valorar como normal y aceptable para el desempeño de la junta. Las Durezas encontradas deben ser diferentes en las distintas zonas tomadas, ya que corresponden a materiales diferentes y en el Cordón de soldadura aparece con una dureza entre las durezas de los dos metales base. Estos valores son normales en este tipo de aplicaciones, ya que el proceso de soldadura en campo o para efectos del estudio no se realiza en ambientes controlados y por tal razón estos resultados se ajustan a lo que encontraremos en un ambiente real.
7.2 ELABORACION DE WPS Y P.Q.R. (Ver anexos 2 y 3)
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8. RESULTADOS Y ANALISIS
RESULTADOS Los resultados obtenidos en el laboratorio, una vez efectuados los ensayos mecanicos a TRACCION de las tres (3) probetas, son los siguientes:
-Probeta i-12010-1
La probeta rompe por fuera del deposito de soldadura con un esfuerzo ultimo a la traccion de 76.534 P.S.I., por encima de la resistencia del metal base del acero de menor resistencia correspondiente al acero ASTM- A36 con una resistencia minima a la traccion de 58.000 P.S.I.
-Probeta i-12010-2
La probeta rompe por dentro del deposito de soldadura con un esfuerzo de 73.951 P.S.I.
Probeta i-12010-3
La probeta rompe por fuera del deposito de soldadura con un esfuerzo ultimo a la traccion de 76.920 P.S.I., por encima de la resistencia del metal base del acero de menor resistencia correspondiente al acero ASTM- A36 con una resistencia minima a la traccion de 58.000 P.S.I.
Analisis
Los resultados obtenidos corresponden al ensayo efectuado a tres (3) probetas, de las cuales 2 fallaron por fuera del deposito de soldadura, con un esfuerzo superior al minimo del metal base, por lo que el procedimiento se cumple de acuerdo con los requisitos del codigo A.W.S. D1.1. El codigo A.W.S D.1.1 en al tabla 4.2 determina que se requieren dos (2) probetas para ensayos a traccion. Se elaboraron tres (3) probetas por seguridad y precaucion, al final, si alguna de las tres no hubiesen cumplido, quedan las otras dos (2) que son las exigidas por el codigo, que para nuestro caso, se cumplio esa precaucion, porque una de las tres (3) fallo dentro del deposito de soldadura.
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La probeta I-12010-2 que fallo por el deposito de soldadura, se debio a una descontinuidad en el cordon de soldadura, producida por una escoria de 6 mm de longitud en la raiz de la junta, debido a la falta de limpieza durante el proceso de soldadura.
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9.
CONCLUSIONES
Los aceros aleados como el acero AISI-SAE 4140, es posible soldarlos
precalentando en los rangos entre 250°C a 350°C y evitando choques bruscos de temperatura después de soldarlos.
Como el electrodo utilizado fue un electrodo E-9018G bajo hidrogeno, es
indispensable mantenerlo en horno, una vez es sacado del empaque de fabrica.
De las tres probetas falladas en laboratorio, dos fallaron fuera del depósito
de soldadura, con una carga superior a la mínima del material más débil, en nuestro caso el acero ASTM A36, por lo que el ensayo de tracción cumple según las exigencias del código AWS. D.1.1.
La probeta que fallo dentro del depósito de soldadura fallo a 73.951 Psi,
estando por encima de la resistencia mínima del metal base que es de 50.000 Psi, por lo que esta probeta también cumple los requisitos del código A.W.S. D.1.1.
Efectuados los ensayos de metalografía y de dureza al Cordón de
soldadura, se observa que los microconstituyentes encontrados y las durezas obtenidas corresponden al de un proceso de soldadura de estas características, por lo que se establece que la soldadura es aceptable.
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BIBLIOGRAFIA
ANSI/AWS D1.1:1998. Structural welding code-steel, AWS 1.998. WEST ARCO, Catálogo de Electrodos de soldadura METAL HANBOOK, Welding, brazing and soldering, ASM International, vol.
6, 416-4281993.
M. ZALAZAR, H. J. Quesada. Discontinuidades presentes en las
soldaduras, Cuaderno de la Facultad de Ingeniería, Universidad Nacional del Comahue, 1993.
Norma NTC 4040 (Versión 2011)
www.oerlikon.com
www.acasa.com.co
www.thyssenkrupp.cl
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ANEXOS
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Anexo 1. Ensayos mecánicos.
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57
ANEXO 2. P.Q.R.
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