Universidad Politécnica Territorial de Paria

Departamento de Naval

Ingeniería Mecánica

Tema 4: Soldadura de las aleaciones metálicas.

Conferencias Clase Práctica Seminarios Laboratorios Total5 1 1 1 8

Actividad docente: 20 Tiempo: 90 minutos

Conferencia 11: Soldadura de los aceros al carbono y de baja aleación mediante proceso SMAW.

Objetivos:Al concluir la clase los estudiantes serán capaces de:1. Describir el sistema de clasificación AWS de los electrodos revestidos de acero al carbono y de

baja aleación.2. Describir la metodología analítica para establecer el régimen de soldeo en la soldadura SMAW.

Contenidos: 4.9 Clasificación AWS de los electrodos revestidos de acero al carbono y de baja aleación.

4.10 Metodología para el establecimiento del régimen de soldeo.

Medios de enseñanza: Pizarra Retroproyector

Elaborado por: Profesor Ing. Frank Gamero.

Introducción

En la clase anterior fue objeto de estudio la soldabilidad de los aceros al carbono y de baja aleación, en la misma se abordó el concepto de soldabilidad, la clasificación de los materiales de acuerdo a su soldabilidad. También fueron objeto de análisis el carbono equivalente y el agrietamiento de las uniones soldadas, así como las medidas para evitarlo. Por ultimo se analizó la soldabilidad de los aceros al carbono y de baja aleación.

Preguntas de evaluación 1. Explique la influencia que ejercen los elementos de aleación sobre la soldabilidad de los aceros

de baja aleación. 2. Mencione algunas medidas que se pueden tomar para reducir o eliminar los problemas de

soldabilidad de los aceros de baja aleación

1

Nexo del nuevo contenidoEn clases anteriores fue objeto de estudio el proceso de soldadura SMAW, el cual emplea como consumible electrodos revestidos, los cuales fueron caracterizados de forma general. Sin embargo, para el ingeniero mecánico es fundamental dominar la clasificación de estos electrodos ya que constituye la vía para su uso adecuado. Al mismo tiempo estos electrodos deben explotarse con determinados parámetros en cuanto a corriente, polaridad, diámetro etc.El profesor presenta los objetivos de la clase y da a conocer los contenidos que serán abordados en la misma.

4.9 Clasificación de los electrodos revestidos de acero al carbono y de baja aleación (según especificaciones AWS A 5.1 y A 5.5).

Para los electrodos se emplea el prefijo”E” para indicar que se trata de un electrodo para soldadura de arco. Los dos primeros dígitos de un número de cuatro cifras o los tres primeros dígitos de un número

de cinco cifras designan la resistencia a la tracción del metal depositado en miles de libras por pulgada cuadrada. Por ejemplo:E 60XX significa una resistencia a la tracción de 60,000 lbs/pulg2 (413 MPa).E 100XX significa una resistencia a la tracción de 100,000 lbs/pulg2 (689 MPa).

El penúltimo dígito indica la posición para soldar:E XX1X - significa para todas las posiciones.E XX2X - significa posición plana y horizontal de filete.E XX4X - significa posición plana, horizontal, sobrecabeza y vertical descendente

Los últimos dos dígitos se emplean para determinar el tipo de revestimiento, las posiciones de soldadura en que trabaja satisfactoriamente, y el tipo corriente y polaridad recomendada.

CLASIFIC.AWS

TIPO DE REVESTIMIENTO POSICION DE SOLDADURA

TIPO DECORRIENTE

EXX10 Alta celulosa sodio (F3-celulósico) P,V,SC,H CDEPEXX11 Alta celulosa potasio (F3-celulósico) P,V,SC,H CA o CDEPEXX12 Alto titanio sodio (F2-rutilo) P,V,SC,H CA o CDENEXX13 Alto titanio potasio (F2-rutilo) P,V,SC,H CA, CDEP, CDENEXX14 Polvo de hierro, titanio (F2-rutilo) P,V,SC,H CA, CDEP, CDENEXX15 Bajo hidrógeno sodio (F4-básico) P,V,SC,H CDEPEXX16 Bajo hidrógeno potasio (F4-básico) P,V,SC,H CA o CDEPEXX18 Bajo hidrógeno potasio, polvo de hierro

(F4-básico)P,V,SC,H CA o CDEP

EXX19 Oxido de hierro titanio potasio (F2-ácido-rutilo)

P,V,SC,H CA, CDEP, CDEN

EXX20 Alto óxido de hierro (F1-ácido) P, H-filete CA, CDEN, CDEPCA o CDEN

EXX22 Alto óxido de hierro (F1-ácido) P,H CA o CDEN2

EXX24 Polvo de hierro, titanio (F1-rutilo) P,H-filete CA, CDEP, CDENEXX27 Alto óxido de hierro, polvo de hierro (F1-

ácido)P, H-filete CA, CDEP, CDEN

CA o CDENEXX28 Bajo hidrógeno potasio, polvo de hierro

(F1-básico)P,H-filete CA o CDEP

EXX48 Bajo hidrógeno potasio, polvo de hierro (F4-básico)

P,SC,H,V-descend.

CA o CDEP

Abreviaturas de las posiciones de soldadura:P – pos. Plana, V- vertical, V- descend. – vertical descendente, H – horizontal, SC - sobrecabeza

El sufijo que aparece después del guión indica el contenido de aleación aproximado del depósito (ejemplo EXXXX-A1). Las letra(s) del sufijo indican el elemento de aleación principal, así:

A- Molibdeno B- cromo-molibdeno C-níquel NM-níquel-molibdeno D- manganeso-molibdenoM- especificaciones militares G- otrosLa letra L en el sufijo indica bajo contenido de carbono

Sufijo C Mn Si Ni Cr Mo VA1 0.12 0.6-1.0 0.4-0.8 - - 0.4-0.65 -B1 0.05-0.12 0.9 0.6-0.8 - 0.4-0.65 0.4-0.65 -B2 0.05-0.12 0.9 0.6-1.0 - 1.0-1.5 0.4-0.65 -B3 0.05-0.12 0.9 0.6-1.0 - 2.0-2.5 0.9-1.2 -B4 0.05 0.9 1.0 - 1.75-2.25 0.4-0.65 -B5 0.07-0.15 0.4-0.7 0.3-0.6 - 0.4-0.6 1.0-1.25 0.05C1 0.05-0.12 1.25 0.5-0.8 2.00-2.75 - - -C2 0.05-0.12 1.25 0.5-0.8 3.0-3.75 - - -C3 0.12 0.4-1.25 0.8 0.8-1.10 0.15 0.35 0.05NM 0.1 0.8-1.25 0.6 0.8-1.10 0.05 0.4-0.65 0.02D1 0.12 1.25-1.75 0.6-0.8 - - 0.25-0.45 -D2 0.15 1.65-2.0 0.6-0.8 - - 0.25-0.45 -D3 0.12 1.0-1.75 0.6-0.8 - - 0.4-0.65 -

4.10 Metodología para el establecimiento del régimen de soldeo con el proceso de soldadura por arco con electrodo revestido (SMAW).

Se llama régimen de soldadura al conjunto de parámetros del proceso de soldadura que garantizan la obtención de uniones de soldadas de las dimensiones, la forma y calidad dadas. En la soldadura manual resultan parámetros los siguientes: Diámetro del electrodo. Intensidad de corriente y polaridad. Voltaje Velocidad de desplazamiento a lo largo del cordón. Número de pases.

1. Selección del diámetro de electrodo (de).

El diámetro del electrodo que va a usarse dependerá de varios factores:1.- Espesor del metal base.

3

2.- Geometría de la unión.3.- Posición de soldadura (plana, horizontal, vertical o sobrecabeza).

El diámetro de electrodo correcto es aquel que utilizado con un amperaje y velocidad de soldadura apropiada produce una costura soldada con la dimensión requerida y en el menor tiempo posible. Debe siempre emplearse el mayor diámetro posible de electrodo que no viola ninguna limitación de entrada de calor, dimensión de cordón, y que a su vez sea adecuado para la posición de soldeo en cuestión. Generalmente los mayores diámetros de electrodos serán seleccionados para la soldadura

sobre materiales de gran espesor y para el soldeo en posición plana, con lo que se aprovechan las ventajas de las mayores razones de depósito. En los casos donde se requiera que el aporte térmico sea bajo (como en la soldadura de chapas delgadas) se deberán utilizar electrodos de pequeño diámetro.

Durante el soldeo en posición fuera de la plana (posición horizontal, vertical o sobrecabeza) el baño de soldadura tiende a derramarse por efecto de la gravedad, lo que se hace más acusado en la medida que el volumen del baño es mayor, es decir cuanto es mayor el diámetro del electrodo, por lo que en estas posiciones convendrá utilizar electrodos de menor diámetro.

Se recomienda que siempre que la soldadura se va a realizar en una posición fuera de la plana el máximo diámetro de electrodo que se debe utilizar es de 4,8 mm, con lo que se garantiza el control del baño de soldadura por parte del soldador, evitándose el derrame de metal. Esta regla se aplica para todos los electrodos excepto los de bajo hidrógeno y el EXX14.

Para los electrodos de bajo hidrógeno y el EXX14 el máximo diámetro que es posible utilizar en estas posiciones es 4 mm.

Recomendación de diámetro de electrodo en función del espesor del metal base. Costuras de ranura.

Espesor del Metal Base(mm)

1 - 2 3 4 - 5 6 - 12 13y mayores

Diámetros recomendadosde electrodo (mm)

1.6 – 2.4 3.2 3.2 - 4 4 – 4.8 4.8 – 7.9

Recomendación de diámetro de electrodo en función del espesor del metal base. Costuras de filete.

Cateto, mm 2 3 4-5 6-9Diámetros recomendadosde electrodo (mm)

2 3 4 5

Se recomienda para la realización de la pasada de raíz, en costuras de ranura unilaterales de múltiples pasadas sin respaldo, utilizar diámetros de electrodos de 3,2 y 4 mm, con vistas a garantizar un buen acceso del electrodo al fondo de la ranura. Finalmente se utilizarán diámetros de electrodo mayores para completar la unión.

Se recomienda para la realización de la pasada de raíz en posición plana, en costuras de ranura bilaterales de múltiples pasadas con resanado, o en costuras de ranura unilaterales con respaldo utilizar diámetros de electrodos de hasta 4,8 mm. Finalmente se utilizarán diámetros de electrodo mayores en las pasadas posteriores para completar la unión, y el máximo diámetro admisible es de 6,3 mm.

Se recomienda para la realización de costuras de filete en posición plana que el diámetro del electrodo no exceda el valor del cateto de dicha costura, mientras que el máximo diámetro admisible en estas costuras es de 7,9 mm

2. Selección del tipo de corriente de soldadura y la polaridad.

4

El proceso de soldadura por arco con electrodo recubierto puede ser realizado tanto con corriente alterna como directa, cuando se emplea un electrodo apropiado. La elección del tipo de corriente a utilizar dependerá de la fuente de energía disponible, del electrodo a utilizar, y de otros factores.

La intensidad de corriente se selecciona sobre la base de una serie de factores como:1.- Tipo de electrodo2.- Diámetro del electrodo3.- Espesor del metal base4.- Geometría de la unión (con o sin respaldo, abertura de raíz, etc.)5.- Posición de soldadura

Las velocidades de depósito se incrementan cuando la intensidad de corriente se incrementa. La intensidad de corriente debe ser suficiente para obtener una buena fusión y penetración, garantizando además un adecuado control del baño de soldadura.

Los electrodos revestidos, de acuerdo a su clasificación y diámetro, operan satisfactoriamente dentro de un cierto rango. La especificación AWS A 5.1-91 de electrodos de acero al carbono recomienda los rangos de amperajes mostrados en la tabla 2 para la soldadura con los distintos tipos y diámetros de electrodos. Esta recomendación se puede extender a los electrodos de acero de baja aleación con igual tipo de revestimiento (coincidentes en los dos últimos dígitos de la clasificación).

No obstante a lo anterior siempre que se tenga la recomendación del rango de intensidad de corriente dado por el fabricante del electrodo en específico que se empleará (proveniente del propio paquete del electrodo o del catálogo de productos del fabricante) la selección debe ser en base a este. Cada fabricante ensaya su electrodo en particular y puede que el rango óptimo tenga alguna ligera variación con respecto al recomendado en la norma A 5.1.

Todos los códigos coinciden en que bajo ningún concepto se debe violar el rango de corriente recomendado por el fabricante ya que esto puede provocar un sobrecalentamiento del electrodo, excesivas salpicaduras, soplo magnético, socavaduras, etc.

Usualmente para la soldadura en posiciones fuera de la plana (excepto la horizontal de filete) se recomienda el empleo de los valores inferiores del rango de corriente, con vistas a facilitar el control del baño de soldadura por parte del soldador y garantizar una óptima costura soldada.

Durante la soldadura en posición plana se deben utilizar los mayores valores posibles dentro del rango de amperaje recomendado, con vistas a aumentar la productividad del trabajo (siempre que las condiciones del material, del tipo de unión lo permitan), excepto en la pasada de raíz en uniones sin respaldo con costura de ranura; en este último caso se recomienda utilizar bajos amperajes para evitar la perforación y el derrame de metal.

Rangos típicos de intensidad de corriente según AWS A 5.1-91(Amperes). Elect.mm (pulg.)

E6010E6011

E6012 E6013 E6019 E6020 E6022 E6027E7027

E7014 E7015E7016

E7018ME7018

E7024E7028

E7048

1,6 (1/16) - 20-40 20-40 - - - - - - - - -2 (5/64) - 25-60 25-60 35-55 - - - - - - - -2,4 (3/32)* 40-80 35-85 45-90 50-90 - - - 80-125 65-110 70-100 100-145 -3,2 (1/8) 75-125 80-140 80-130 80-140 100-

150110-160

125-185

110-160

100-150

115-165 140-190 80-140

4 (5/32) 110-170

110-190

105-180

130-190

130-190

140-190

160-240

150-210

140-200

150-220 180-250 150-220

4,8 (3/16) 140-215

140-240

150-230

190-250

175-250

170-400

210-300

200-275

180-255

200-275 230-305 210-270

5,6 (7/32) 170- 200- 210- 240- 225- 370- 250- 260- 240- 260-340 275-365 -

5

250 320 300 310 310 520 350 340 3206,3 (1/4) 210-

320250-400

250-350

310-360

275-375

- 300-420

330-415

300-390

315-400 335-430 -

7,9 (5/16) 275-425

300-500

320-430

360-410

340-450

- 375-475

390-500

375-475

375-470 400-525 -

* Este diámetro no se fabrica en la clasificación E7028.

También se pueden emplear métodos analíticos para el cálculo de la intensidad de la corriente.

Is = (20 + 6de) de (A) donde: de - Diámetro del electrodo en mm

Is = (K - de / 10) (de2 + 4 de) - Corriente mínima

donde: K - coeficiente (para el acero K = 4.1)

de - Diámetro del electrodo en mm

3. Determinación del Voltaje de Arco (Va).

Para este proceso el voltaje de arco generalmente no se reglamenta ya que el soldador no puede previamente prestablecerlo en la máquina. El voltaje de arco depende de varios factores como: tipo y diámetro de electrodo, corriente de soldadura y longitud de arco.

4. Determinación del número de pasadas (NTP).El número de pasadas necesarias para realizar una unión soldada se puede determinar a través de la siguiente expresión:

;

donde NTP – representa el número total de pasadas AMD- área de metal a depositar en la unión (se determina geométricamente) NR- número de pasadas de raíz, que depende del tipo de unión. AR- área de la sección transversal de la pasada de raíz, que se puede estimar con

aproximación por la expresión: APR = (68) * deR (mm2) NRE- número de pasadas de revés o respaldo, que depende del tipo de unión. ARE- área de la sección transversal de la pasada de revés o respaldo; que se determina

geométricamente en dependencia del tipo de unión. APP- área de la sección transversal de las pasadas posteriores. APR = (812) * deP (mm2) deR y deP- diámetros de electrodo para pasada de raíz y posteriores respectivamente (mm).

Metodología para calcular el número de pasadas.

1o.- Se calcula el área de la sección transversal a rellenar At.

At - área geométrica

6

20.- Se calcula AR - área que deposita el cordón de raíz (AR = 6... 8 de)

3o.- Se calcula App - área que depositan los cordones posteriores (cada uno). App = (10….12) de

4o.- Se determina Ncpp - número de cordones para pasadas posteriores

Ncpp = (At - AR) / App

Número de pasadas total = Ncpp + 1

Cuando existen dos cordones de raíz:

Ncpp = (AT – 2AR) / App

No. de pasada = Ncpp + 2

Cantidad de metal necesario para la ranura

GR = AT · · L (g ) donde:

AT - área de la sección transversal en cm2

- peso específico del acero = 7.85 g/cm3 L - longitud de la costura en cm GN - Cantidad de metal necesario a comprar

GN = GR / a (g) donde: a - Índice de aprovechamiento de los electrodos.

5. Determinación de la Velocidad de Soldadura (vS).

La velocidad de soldadura es la razón a la cual el electrodo se mueve a lo largo de la unión. Una apropiada velocidad de soldadura es aquella que produce un cordón de soldadura con un adecuado contorno y apariencia. La velocidad de soldadura es influenciada por el tipo de corriente, amperaje, polaridad, posición de soldadura, razón de depósito del electrodo, espesor del material, tipo de unión, ensamble de la unión, tipo de metal base, etc.

La velocidad de soldadura por pasada se puede calcular a partir de la siguiente expresión:

; donde vS – representa la velocidad de soldadura (m/h)

RD – razón de depósito del electrodo (kg/h); se determina según tablas, nomogramas, o según datos del fabricante.

MD – densidad del metal depositado (kg/m3). Para aceros al carbono y de baja aleación se puede asumir Ac al carb=7860 kg/m3.

AMD – área de la secc. transversal de metal depositado en la pasada (m2)7

En costuras de múltiples pasadas la velocidad de soldadura total de realización de la costura (equivalente a la velocidad de realización de la costura con una pasada única) se determina:

No obstante a lo anterior en la literatura existen tablas de procedimientos, elaboradas en base a la experiencia de años de labor, que permiten seleccionar rápidamente los parámetros del régimen de soldadura. La selección por tablas de procedimientos es ideal para las condiciones de los talleres ya que ahorra mucho tiempo al ingeniero, y brinda generalmente resultados muy confiables (cuando la fuente es confiable) ya que dichas tablas han sido elaboradas en base a años de experiencia en la aplicación de la soldadura SMAW, u otra cualquiera.

ConclusionesHacer un resumen de los principales contenidos de la clase puntualizando aquellos que resultan definitorios en correspondencia con los objetivos. Tales como, el sistema de clasificación AWS de los electrodos revestidos; los pasos fundamentales de la metodología analítica para el establecimiento del régimen de soldadura SMAW y las ventajas que implica el empleo de tablas de procedimientos de soldadura provenientes de fuentes confiables.

Preguntas de comprobaciónLas preguntas deben estar en función de los objetivos previstos.

1. Describa el sistema de clasificación AWS para designar los electrodos revestidos.2. Mencione los parámetros que componen el régimen de soldadura para el proceso SMAW. 3. Enumere la secuencia con que se deben establecer los parámetros del régimen de soldadura.

Estudio independiente Ejercitar el sistema de clasificación AWS para los electrodos revestidos, diferenciando las

características de aplicación de los siguientes tipos de electrodos: E6013; E7018; E9018-B2

Bibliografía:

1. Tecnología de soldadura. José Burgos.2. Metalurgia de la soldadura. Héctor Rodríguez Pérez.

Incorporar bibliografía impresa y digital.

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