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Efecto de la soldadura SMAW en acero de bajo carbono Jonathan Castro Arce, Nelson Varela Araya, Jorge M. Cubero-Sesin Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad de Costa Rica

Resumen La microestructura de una junta soldada a filete fue examinada para determinar si se produce algún efecto indeseable en la misma o en la unión. Un segmento de la pieza se corto previo a la soldadura para utilizarla como muestra de control o de comparación. Ambas muestras fueron analizadas al microscopio óptico y la muestra soldada fue analizada además con el microscopio electrónico de barrido SEM, y no se determino ningún cambio sustancial en la microestructura que indicara algún efecto negativo. Pruebas de dureza también se llevaron a cabo, demostrando éstas pequeños cambios producto del efecto del alivio de esfuerzos por la temperatura. Palabras clave: soldadura, temperatura, dureza, microestructura del acero

Introducción Durante el proceso de soldadura por arco eléctrico revestido, SMAW (Shielded Metal Arc Welding), se alcanzan temperaturas muy por encima de las temperaturas de fusión del acero, aun por encima del punto de ebullición. Temperaturas tan altas no solo funden el material de aporte (electrodo de acero) y una parte del material base, sino que parte se transfiere por el mecanismo de conducción, y es tan alta cerca de la zona de fusión que sobrepasa la temperatura de recristalización del acero. Por eso el objetivo del presente trabajo de investigación es determinar si estas altas temperaturas afectan negativamente un acero de bajo carbono ampliamente utilizado, AISI-1018, por medio de observación de la microestructura al microscopio óptico y al microscopio electrónico de barrido SEM (por sus siglas en ingles) de una muestra de una unión soldada a filete y de otra muestra del mismo material base cortado antes de soldar, que será la muestra de control. El laminado en frío de este acero hace que se eleve su resistencia debido al aumento de dislocaciones que éste produce. Se sabe que tratamientos térmicos como el recocido se usan para “deshacer” cualquier trabajo en frío previo cuando se le quiere dar mayor ductilidad a alguna pieza. Es por esta razón que se le efectúan pruebas de dureza a las muestras en búsqueda de este efecto y su variación a través de la sección.

Materiales y estrategia experimental Para delimitar la investigación se utilizo un acero de composición y características conocidas, las tablas 1 y 2 muestran las propiedades mecánicas y químicas del acero AISI-1018 respectivamente, esta información fue tomada del sitio web del proveedor (aceros Roag). Tabla 1 Propiedades mecánicas Resistencia ultima a la tensión (psi) Resistencia a la cedencia (psi) Elongación (%) Tabla 2 Propiedades químicas Elemento Hierro (Fe) Carbono (C) Manganeso (Mn) Fosforo (P) Azufre (S)

63800 53700 15.0

Porcentaje en peso 98.81% - 99.26% 0.18 % 0.60 % - 0.90% 0.04 % 0.05 %

Además se obtuvo la información del electrodo utilizado E6013, de la página web de Hilco, que es la marca del electrodo. Las tablas 3 y 4 muestran su composición química y sus propiedades mecánicas respectivamente.


Tabla 3. Propiedades químicas del electrodo E6013 Propiedades químicas Elemento Porcentaje en peso Carbono (C) 0.12 % Manganeso (Mn) 0.60 % Fosforo (P) ≤ 0.03 % Azufre (S) ≤ 0.03 % Silicio (Si) 0.40 %

segueta, luego se procedió a lijar con lija para metal con aportación de agua en el proceso para retirar el material desprendido. Se utilizaron lijas # 150, # 280, #400, # 500, #600, # 1000, # 1500 y # 2000 en ese orden. En la figura 2 se ven las muestras montadas en sus bases y pulidas hasta lija # 2000.

Tabla 4. Propiedades mecánicas del electrodo E6013 Propiedades mecánicas Resistencia ultima a la tensión (psi) 75523 Resistencia a la cedencia (psi) 60919 Elongación (%) 15.0 De una barra cuadrada de acero AISI-1018 de 5/8 de pulgada (15.8 mm) se obtuvieron dos secciones de 5.5 mm de espesor, a una de estas se le corto una pequeña sección previo a la soldadura para tomarla como punto de comparación o muestra de control, esta se corto con una segueta para no afectar la pieza con calor, que se produciría con una cortadora eléctrica de disco. Los segmentos restantes se soldaron a filete y luego se corto la unión soldada transversalmente, de manera que se ve claramente el filete de la soldadura y el espesor de las piezas de acero (figura 1).

Figura 1. Muestra soldada y muestra de control Luego de eso las muestras deben ser lijadas y pulidas hasta darles un acabado de espejo para poder ser llevadas al microscopio óptico y además obtener un mejor resultado en las pruebas de dureza. Como generalmente las muestras son piezas muy pequeñas, estas se montan en bases poliméricas para su fácil manipulación y para garantizar superficies paralelas entre el apoyo de la base y la sección de la muestra. Primero se utilizo una lima para quitar las rayas más profundas dejadas por el corte con la

Figura 2. Muestras montadas en base Luego del pulido se procedió al ataque químico con Nital al 1%. Se aplico a toda sección de la muestra y se dejo actuar por 30 segundos. Como no reveló a los 30 segundos se procedió a seguir con la misma metodología cada 30 segundos hasta conseguir el revelado de la microestructura, aplicando y revisando luego del tiempo determinado en el microscopio óptico. La muestra de control tardo 1.5 min en revelar, mientras que la muestra soldada lo hizo en 3 min. Además de observar las muestras en el microscopio metalúrgico, se llevo la muestra soldada al microscopio electrónico de barrido con la intensión de lograr un mejor detalle de la microestructura además de obtener un análisis espectral de los elementos. Por último se le aplico un ensayo de dureza, en especifico Rockwell A, a ambas piezas para determinar la afectación por el calor en la resistencia del acero. Se hace una comparación entre ambas muestras y además entre un punto cercano al borde hasta el material de aporte para determinar alguna variación en la dureza esta zona. También se aprovechan estos datos de dureza para verificar los datos de resistencia de los dos aceros; el de aporte y el base según las tablas 2 y 4.

Resultados y análisis Análisis Metalográfico. A continuación se muestra una comparación de las imágenes obtenidas en el microscopio metalúrgico, de la muestra de control versus la muestra soldada.


Figura 3. Comparación metalográfica de la muestra de control (izquierda) y la soldada (derecha). Aumento 100X. De la comparación anterior se encuentra que no existe un cambio importante en la estructura del material soldado respecto al de control. La estructura mostrada para ambos casos corresponde a la presencia de ferrita, en su gran mayoría, y de perlita, lo cual es de esperar para el material estudiado por su bajo contenido de carbono. La presencia de perlita se evidencia en forma de líneas oscuras en ambos casos y es aquí donde se puede ver una leve disminución el grosor de la perlita para el caso del material soldado. Al observar la muestra soldada microscopio electrónico de barrido (SEM) en busca de observar mejor su estructura, se obtuvo las siguientes imágenes.

Figura 4. Muestra soldada vista desde el microscopio electrónico de barrido (SEM).

Figura 5. Muestra soldada vista desde el microscopio electrónico de barrido (SEM). De las figuras 4 y 5 se puede mostrar mejor la presencia de perlita en la muestra, la cual corresponde a la fase oscura de la imagen y la fase clara correspondiente a la ferrita del material. Una vista de la unión soldada, donde se puede ver la unión entre el material base (AISI-1018) y el material de aporte (electrodo E6013), se muestra en la figura 6.

Figura 6. Zona de Fusión vista desde el microscopio electrónico de barrido (SEM). Al observar el material de aporte en la figura 6, se muestra una similitud a nivel de estructura respecto al acero AISI-1018, lo cual es de esperar ya que dichos materiales tiene contenido de carbono muy similar. Reduciendo la magnificación del microscopio de barrido se puede observar mejor la unión de las piezas soldadas (Figura 7).


No se logra observar un cambio importante a nivel de estructura conforma se aleja de zona de soldadura, factor que es de esperar por la afectación por temperatura.

Dureza Rockwell A

Dureza de la sección 54 52 50 48 46 44 42 0

2

4

6

8

Distancia desde el borde a la soldadura (mm)

Figura 7. Unión soldada vista desde el microscopio electrónico de barrido (SEM). Análisis de Dureza. A partir del ensayo de dureza realizado a las muestras del acero sin soldar y soldado, se obtuvo los siguientes valores y gráficos. Acero sin soldar. Dureza promedio: 52.6 Rockwell A. Acero soldado.

Punto

Dureza HRA

1

50.7

2

50.4

3

49.3

4

44.6

5

45.4

6

52.1

7

52.5

Gráfico 1. Dureza de la sección, desde el borde hasta la soldadura. Tomando de referencia la dureza promedio del acero sin soldar y comparándolo con los valores de la tabla 1 y el gráfico 1, se encuentra que conforme se acerca a la zona de soldadura la dureza del material disminuye (puntos del 1 al 5) y por último se eleva la dureza acercándose a la dureza original del material. La disminución de la dureza confirma que la elevación tan alta de la temperatura, muy por encima de la temperatura de recristalización, lleva a reducir dislocaciones producto del trabajo en frío del material, por consiguiente una reducción de la dureza del mismo. El aumento de dureza de los puntos 6 y 7, obedece a la dureza del material de aporte. ( AHÍ VA LO SUYO)

Conclusiones 1.

2.

Tabla 1. Dureza de la sección, desde el borde hasta la soldadura. 3.

Para el acero AISI-1018 el efecto de la soldadura no es significativo en cuanto a cambio a nivel de microestructura, el material de aporte ni el efecto de la temperatura alteran dicha estructura. La temperatura generada por el proceso de soldadura reduce la dureza en el sector próximo a la zona de fusión, sin embargo no compromete significativamente la resistencia en una estructura soldada. Se comprueba que la unión por soldadura es un método efectivo ya que no produce efectos indeseables en la resistencia de los materiales.


Referencias 1. 2. 3.

4.

Avner, S.H. (1998). Introducción a la Metalurgia Física. Calipso, México. Mangonon, P.L. (2001). Ciencia de Materiales: Selección y Diseño. Prentice Hall, México. Acero. (s.f). Recuperado el 9 de diciembre de 2014, de: http://acerosroag.com/productos/acero-deprecision-2/ Electrodo. (s.f) recuperado el 9 de diciembre de 2014, de: http://www.hilco-welding.com/wpcontent/uploads/productsheet/english/B01.%20HILCO%20Red%20Extra-E.pdf

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