Laboratorio Nro 1: Zonas estructurales de la unin soldada

Universidad Politcnica Territorial de Paria

Departamento de NavalCarrera de Ingeniera Mecnica.Asignatura: Procesos Especiales de Manufactura Tema 2: Generalidades de la soldadura.Actividad docente: 10 Tiempo: 90 minutos

Laboratorio 1: Zonas estructurales de la unin soldada. Objetivos:

Al concluir la clase los estudiantes sern capaces de:

1. Identificar en el microscopio las zonas y subzonas estructurales de uniones soldadas ejecutadas por diferentes procesos de soldadura por fusin.

2. Caracterizar las diferentes estructuras presentes en la ZAC (ZIT) en uniones soldadas por fusin, determinando el tamao de granos en las diferentes subzonas, as como el perfil de dureza.

Contenidos:

Estructura de la unin soldada. Estructuras tpicas de la zona afectada por el calor, ZAC

Perfil de dureza en las uniones soldadas por fusin. Medios de enseanza:

Pizarra

Microscopio ComputadoraElaborado por: Profesor Ing. Frank Gamero

1. Introduccin

Preguntas de evaluacin

Se aplica un cuestionario de preguntas de la gua de preparacin, con lo cual se comprueba el nivel de preparacin de los estudiantes. Cada estudiante responde una pregunta en especfico. Aquellos estudiantes que no demuestren dominio del contiendo sern citados a consulta para una nueva evaluacin. Fundamentos Tericos. En una unin soldada por fusin se distinguen macrogrficamente tres zonas fundamentales: la costura o zona fundida, la zona afectada por el calor (ZAC) y el metal base no afectado.

La Zona Fundida (ZF), formada nicamente por el metal solidificado a partir del estado lquido presenta una estructura de fundicin. Mientras que la ZAC presenta diferentes estructuras producto de transformaciones estructurales que sufre el metal base debido a la naturaleza de la aleacin (composicin qumica, templabilidad, etc) y al ciclo trmico de calentamiento-enfriamiento que le impone el proceso de soldadura de acuerdo a la distancia del punto analizado al eje de la costura; se dice que la ZAC, ZIT sufre un tratamiento trmico variable de acuerdo a la distancia a dicho eje.

A continuacin se enumeran las diferentes subzonas que se presentan en la ZIT durante la soldadura de los aceros al carbono y de baja aleacin: Zona de fusin incompleta: Constituye la zona de transicin entre el metal de la costura o zona fundida y el metal base no fundido. Es una zona estrecha del metal base que se calienta a temperaturas por debajo de la lnea de lquidos y por encima de la lnea de slidos, o sea, a temperaturas que solo sobrepasan un poco la temperatura de fusin por lo que el metal se encuentra en estado bifsico slido-lquido. El estado bifsico que se alcanza permite que ocurran procesos difusivos de algunos elementos entre las fases lquidas y slidas de la zona de fusin incompleta, lo que provoca que esta zona se diferencie en cuanto a composicin qumica tanto de la zona de la costura, como del metal base. El ancho de esta zona depende del carcter de la fuente de calor y de la composicin qumica del metal y vara desde 0.1-0.4mm. Las propiedades de esta zona en ocasiones ejercen una influencia decisiva en la resistencia de la unin.

Zona de sobrecalentamiento: Zona limitada a los puntos cuyas temperaturas mximas se limitan entre aproximadamente los 1100oC (temperatura de crecimiento intensivo el grano austentico) y la lnea de slidos. En esta zona el metal durante el calentamiento de soldadura sufre la transformacin alotrpica de hierro- de a y producto de que el metal se calienta a temperaturas bastante por encima de Ac3 ocurre un sobrecalentamiento y crecimiento del grano austentico. Luego del enfriamiento la estructura final de esta zona depende de la composicin del metal y el ciclo trmico de soldadura, de forma que en algunos casos durante la soldadura SMAW con un sobrecalentamiento significativo del acero y un contenido de carbono elevado se forma una estructura de grano grueso, que no influye significativamente en la resistencia del metal, pero que si disminuye significativamente su plasticidad. En estos casos la resistencia al impacto puede caer en un 25% y ms. El ancho de esta zona oscila entre 1 y 3mm. Por lo anterior se considera una de las zonas que ms afectacin pueden sufrir en la ZAC y donde ocurren la mayora de las fallas en servicio. Zona de normalizado: Est constituida por el metal calentado algo por encima de Ac3 hasta la temperatura de aproximadamente 1100oC. En esta zona se obtiene una estructura de grano fino muy favorable desde el punto de vista de propiedades mecnicas, siendo en algunos casos incluso superiores a las del metal base no afectado. El ancho de la zona vara de 1.2 a 4mm.

Zona de recristalizacin incompleta: Se presenta en la zona calentado a temperaturas entre Ac1 y Ac3, que en los aceros de bajo carbono va de 725 a 850oC. El metal en esta zona alcanza solo una recristalizacin parcial.

Metal base no afectado: En los aceros al carbono por debajo de la temperatura Ac1 no ocurren transformaciones importantes que afecten de forma importante las propiedades mecnicas, por lo que por debajo de esta temperatura se considera metal base no afectado trmicamente. Algunos autores extienden la ZAC por debajo de esta temperatura porque determinados aceros son susceptibles de sufrir modificaciones, y as se pueden considerar las siguientes zonas:

Zona de Recristalizacin: Durante la soldadura de los aceros que han sufrido deformaciones plsticas previas, en la zona que se calienta en el intervalo de 450 a 700oC, de partes de granos surgen y crecen nuevos granos equiaxiales. Si el metal no ha sido previamente deformado plsticamente la recristalizacin no ocurre.

Zona de Fragilidad en Azul: En esta zona se presenta una coloracin azul de la superficie del metal, luego del enfriamiento. Se caracteriza porque durante la soldadura de aceros de bajo carbono con contenidos de ms de 0.005% de O2, 0.005% de N2 y 0.0005% de H2 ocurre una brusca cada de la resistencia al impacto. Esta es causada probablemente por el envejecimiento del metal, durante el cual la solucin slida sobresaturada segrega los componentes en exceso, en este caso nitrgeno u carbono, los que en forma de nitruros y carburos muy dispersos se agrupan alrededor de las zonas defectuosas de la red cristalina aumentando la resistencia del metal, pero disminuyendo su plasticidad.

Estas dos ltimas zonas hay autores que las denominan zonas de revenido.

Figura 1.1 Representacin esquemtica de las caractersticas de una unin soldada

El ancho obtenido en la ZIT y sus diferentes subzonas, dentro de la soldadura por fusin, se diferencia grandemente en el proceso de soldadura a llama (oxiacetilnica) respecto a los diferentes procesos de soldadura por arco elctrico (SMAW, GMAW y SAW) ya que el primero es un proceso que utiliza una fuente de calor (llama) menos potente y concentrada que el arco, que avanza mucho ms lentamente, con un bao ms voluminoso, por lo que el calor introducido en la pieza por metro lineal es mucho mayor, obtenindose una ZIT muy ancha (ver tabla 1.1).

Tabla 1.1. Dimensiones medias de las subzonas de la ZIT para diferentes procesos de soldadura. Proceso de soldadura Dimensiones medias de la zona, mmAncho total de la ZIT, mm

SobrecalentamientoNormalizadoRecristalizacin incompleta

SMAW1,20,60,72,7

SAW0,8-1,20,8-1,70,7-0,82,5-3,7

GMAW0,7-1,00,6-1,50,5-0,71,8-3,2

A llama214227

2- Equipos, instrumentos y materiales

Para la correcta realizacin de la prctica de laboratorio es necesario emplear equipos, instrumentos y materiales acordes con los objetivos trazados. 2.1 Equipos, herramientas e instrumentos:

Pulidora metalogrfica de dos platos.

Microscopios metalogrficos modelos NJF-1 y NJF-120A Durmetro Rockwell

Pie de Rey Computadora personal con software profesional.

2.2 Materiales:

Probetas de uniones soldadas

Papel lija (abrasivo) de diferentes nomenclaturas (240, 340, 420, 500, 600)

Pasta de pulimentar

Paos de pulimentar

Reactivos para el ataque de las probetas.

Alcohol etlico.

Algodn y papel absorbente.

3- Metdica de trabajo.

La metdica que se presenta constituye una gua para el profesor y los estudiantes al realizar la prctica de laboratorio. La secuencia de trabajo permite cumplir los objetivos trazados.

3.1-Preparacin de las probetas para la observacin microscpica.

Las probetas se extraen mediante corte mecnico de los cupones de prueba soldados previamente con el rgimen de soldadura indicado en la tabla 1.1.

Las probetas obtenidas se someten a un proceso de preparacin de la superficie mediante el desbaste con diferentes papeles abrasivos y posterior pulido.

Tabla 1.1: Caractersticas de las probetas que se emplean en la prctica.

Nro ProbetaMetal baseMetal de aporteProceso de soldadura Rgimen de soldadura

Intensidad, ATensin, V

1Acero 1020E6013 ( 3.2SMAW9023

2Acero 1020Alambre de acero 1010OFW------------

3Acero 1045E6013 ( 3.2SMAW12025

4Acero 1020E6013 ( 3.2SMAW12025

El profesor entregar a cada equipo de trabajo de tres estudiantes un juego de probetas para su utilizacin en la prctica.3.2 Determinar las zonas estructurales de la unin soldada.

Para lograr distinguir a simple vista las zonas de la unin soldada (zona fundida, zona de influencia trmica y metal base) es necesario realizar los siguientes pasos en cada una de las probetas: Limpiar la superficie de las probetas con alcohol.

Atacar la superficie con Nital 2 durante 5 segundos.

Limpiar la superficie con alcohol y secar con papel absorbente.

Observar la macroestructura y diferenciar las zonas estructurales. Esta observacin se hace a simple vista o con ayuda de una lupa.El resultado de la observacin se debe reflejar en un esquema donde se indiquen las zonas observadas y sus dimensiones. 3.3 Observacin de la estructura metalogrfica La observacin de la estructura metalogrfica se realiza en el microscopio tratando, siempre que sea posible, de distinguir las mismas de acuerdo a las diferentes zonas que tericamente deben estar presentes en una unin soldada. Las estructuras se observan por la lnea central de la seccin de la probeta. El resultado de la observacin se debe reflejar en un esquema donde se indiquen las estructuras observadas hacindolas coincidir con las zonas de la unin y las subzonas de la ZAC. En este anlisis se pueden auxiliar de la bibliografa y tomar como referencia las estructuras ah reflejadas, pginas 72 a la 88 de Metalurgia de la soldadura.

3.4 Mediciones de tamao de grano. La observacin del tamao del grano se realiza en el microscopio metalogrfico. El tamao de grano observado se numera de acuerdo a la norma internacional ISO, segn la seccin transversal media observada. En este caso la medicin del tamao de grano se realizar por comparacin con patrones ya estudiados. Los resultados se recogen en la hoja de datos.

3.5 Medicin de dureza a lo largo de la seccin de la unin. Con ayuda del durmetro se medir la dureza en la seccin media de la unin partiendo de la zona de la costura, pasando por la ZIT, hasta llegar al MB no afectado. De forma que se anoten los resultados de dureza respecto a la distancia al eje del cordn.

4- Procesamiento de los resultados.

4.1 Resultados.

Los resultados obtenidos de las observaciones y las mediciones, as como de las condiciones de la prctica deben organizarse en forma de tablas y esquemas, lo que facilita su interpretacin.

Tabla 1.2 Resultados de la medicin del grano. Nro ProbetaProceso soldadura Tamao de grano segn norma ASTM

Zona de grano grueso Zona de grano finoMetal base

Tabla 1.3 Resultados de la medicin de la durezaNro ProbetaDureza, HRC

Zona fundidaZona de influencia trmicaMetal base

Puntos de medicin Puntos de medicinPuntos de medicin

123456789

Lnea 1

Lnea 2

Lnea 3

4.2 Discusin de los resultados.

Con los datos obtenidos de las observaciones de la microestructura, la medicin del tamao grano y las mediciones de dureza, el estudiante debe hacer un anlisis de los mismos, as como valorar si hay correspondencia entre lo planteado en la bibliografa y los resultados obtenidos en la experimentacin. Elaborar una grafica de dureza vs longitud en la unin soldada.

5. Conclusiones.

Las conclusiones de la prctica de laboratorio deben estar dirigidas a valorar el cumplimiento de los objetivos trazados en la misma. De este modo el estudiante debe dejar explicito, cmo se cumplieron los objetivos y si los resultados obtenidos estn en correspondencia con lo esperado para este tipo de aleacin y proceso de soldadura.

Las conclusiones deben ser concretas y puramente tcnicas respondiendo a los objetivos planteados y el anlisis de los resultados que se obtienen del desarrollo de la prctica. 6. Informe de la prctica de laboratorio.

El estudiante (equipo) debe entregar al profesor, en un plazo asignado por este, el informe de la prctica, el cual debe contener los siguientes apartados en su estructura.

Portada ndice Introduccin Metdica de trabajo seguida en la realizacin de la prctica. Equipamiento y materiales empleados en la prctica. Resultados y su correspondiente discusin. Conclusiones. Recomendaciones o sugerencias en caso de que las hubiera. Bibliografa. 1