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Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería.

Contenido Resumen. ............................................................................................................................. 2 Objetivo Principal. ................................................................................................................. 2 Objetivos Secundarios. ......................................................................................................... 2 Características técnicas de los equipos e instrumentos utilizados......................................... 2 Método Experimental. ........................................................................................................... 4 Presentación de Resultados. ................................................................................................ 4 Análisis de los resultados, conclusiones y observaciones personales. .................................. 6 Apéndice. .............................................................................................................................. 6

Índice de ilustraciones. Ilustración 1 Equipo para soldadura Lincoln 350 PRO. ......................................................... 2 Ilustración 2 Electrodo para proceso de soldadura MIG. ....................................................... 3 Ilustración 3 Electro revestido para proceso de soldadura SMAW. ....................................... 3 Ilustración 4 Elementos de protección personal. ................................................................... 3 Ilustración 5 Placa de acero SAE 1020 con cordones de soldadura MIG (izquierda cordón 1, derecha cordón 2 ). ............................................................................................................... 5 Ilustración 6 Placa de acero SAE 1020 con cordón soldadura mediante proceso SMAW. .... 5 Ilustración 7 Diagrama soldadura por arco. ........................................................................... 7 Ilustración 8 penetración del electrodo en el metal. ............................................................... 8 Ilustración 9 Diagrama equipo de soldadura MIG/MAG. ...................................................... 10

Índice de tablas. Tabla 1 Datos calculados para el primer cordón realizado mediante proceso MIG. .............. 4 Tabla 2 Datos calculados para el segundo cordón realizado mediante proceso MIG. ........... 4 Tabla 3 Datos calculados para cordón realizado mediante proceso SMAW. ......................... 5 Tabla 4 Nomenclatura de electrodo para proceso MIG/MAG. ............................................. 10

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Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería.

Resumen. El presente informe abordara la experiencia E-134 realizada para el laboratorio de procesos mecánicos II. El objetivo de esta experiencia es dar al estudiante las nociones básicas sobre el proceso de soldadura MIG/MAG, para lograr esto se realizarán varios cordones de soldadura en placas de acero SAE 1020 junto con la realización de un cordón de soldadura mediante el proceso SMAW para poder realizar comparaciones y ver ventajas y desventajas entre ambos procesos. La soldadura MIG/MAG es un proceso de Soldadura al arco bajo gas protector con electrodo consumible. El arco se produce mediante un electrodo formado por un hilo continuo y las piezas a unir, quedando este protegido de la atmósfera circundante por un gas inerte (soldadura MIG) o por un gas activo (soldadura MAG).

Objetivo Principal. ●

Que el alumno internalice y comprenda los conceptos técnicos y parámetros de ajuste y control de las variables eléctricas que gobiernan el proceso de soldadura al arco eléctrico, manual MIG/MAG (Metal Inerte Gas/Metal Activo Gas), cuyo acrónimo en ingles más conocido es GMAW (Gas Metal Arc Welding).

Objetivos Secundarios. a) Identificar las ventajas y desventajas de un proceso de Voltaje constante (VC). b) Calcular aporte calórico del proceso y la penetración realizada por el proceso de soldadura MIG. c) Que el alumno adquiera la capacidad de establecer ventajas y desventaja comparativas entre los procesos de soldadura MIG/MIG y SMAW. d) Que el alumno adquiera la capacidad de armar y ajustar variables claves del proceso de soldeo, de modo de asegurar resultados adecuados.

Características técnicas de los equipos e instrumentos utilizados. 1. Equipo de Soldadura. o o o o

Marca: LINCOLN (USA) Modelo: Inverter 350 PRO Multipropósito: SMAW, GTAW, GMAW, FCAW Ciclo de trabajo: 350 A al 60%

Ilustración 1 Equipo para soldadura Lincoln 350 PRO.

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Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. 2. Electrodo E-70 S6. o o

Alambre de acero al carbono con revestimiento de cobre. Usando principalmente con CO2. o Contiene sillico y magnesio para evitar la oxidación.

Ilustración 2 Electrodo para proceso de soldadura MIG.

3. Electrodo E-6011. o o o o

Revestimiento celulósico potásico. Electrodo con hierro en polvo en el revestimiento. Es apto para ser ocupado en variadas aplicaciones de soldadura, especialmente en trabajos que se requiera alta penetración. Aplicaciones típicas se encuentran en cordón de raíz de cañerías, reparaciones generales, estructuras y planchas galvanizadas.

Ilustración 3 Electro revestido para proceso de soldadura SMAW.

4. Guantes de Seguridad.

Ilustración 4 Elementos de protección personal.

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Método Experimental. Parte I Introducción de la experiencia. ●

Comienza la experiencia con una introducción por parte del profesor a cargo en donde realiza la explicación sobre el proceso de soldadura MIG y la diferencia de este con el proceso MAG, los parámetros que rigen este proceso y otras características necesarias para la realización de la experiencia.

Parte II Realización de la experiencia. ● ● ● ●

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Se inicia la experiencia equipando los elementos de protección personal, además de las instrucciones para el inicio del proceso de soldadura. A continuación, se enciende la campana de gases y se energiza mediante un switch la máquina para soldar. Luego se enciende la máquina y se abre la llave de paso que alimentara con gas el proceso de soldadura MIG. Se inicia el proceso realizando varios cordones de pasada con la finalidad de poder controlar velocidad de avance, ángulo de soldadura, ángulo de posición, altura, entre otros parámetros. Una vez realizados los cordones de prueba se realizan 2 cordones cronometrados, con la finalidad de poder realizar los respectivos cálculos. A continuación, se configura la máquina para poder realizar un cordón de soldadura mediante el proceso de SMAW y poder realizar una comparativa entre ambos procesos. Se realiza un cordón de soldadura con electrodo E 6011 en las placas de acero SAE 1020 y se mide el tiempo del proceso para realizar los cálculos respectivos.

Presentación de Resultados. Cordón 1 Soldadura MIG Velocidad de avance (mm/s). Cantidad de calor aportado (W/mm). Penetración medida (mm). Penetración calculada (mm). Variación porcentual (%)

8,1428 49,1231 0,84 0,7650 8,92

Tabla 1 Datos calculados para el primer cordón realizado mediante proceso MIG.

Cordón 2 Soldadura MIG Velocidad de avance (mm/s). Cantidad de calor aportado (W/mm). Penetración medida (mm). Penetración calculada (mm). Variación porcentual (%).

6,3333 63,1582 1,19 0,8229 30,8487

Tabla 2 Datos calculados para el segundo cordón realizado mediante proceso MIG.

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Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. Cordón SMAW Amperaje (amp.) Velocidad de avance (mm/s) Cantidad de calor aportado /W/mm) Penetración medida (mm) Penetración calculada (mm) Variación porcentual (%)

55,0 3,0 1100,0 0,89 0,7793 12,4356

Tabla 3 Datos calculados para cordón realizado mediante proceso SMAW.

Ilustración 5 Placa de acero SAE 1020 con cordones de soldadura MIG (izquierda cordón 1, derecha cordón 2).

Ilustración 6 Placa de acero SAE 1020 con cordón soldadura mediante proceso SMAW.

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Análisis de los resultados, conclusiones y observaciones personales. En base a los resultados se pude afirmar que para ambos cordones realizados con el proceso de soldadura MIG se puede ver una relación linealmente inversa entre la velocidad de avance y la cantidad de calor aportado, si bien se obtuvieron tiempos similares lo que cambio fue el espesor y del cordón, la penetración en la placa y la uniformidad de este. Entre ambos cordones no se puede apreciar mayor diferencia sin embargo el primero presenta mayores depósitos residuales producto del proceso, esto supone una altura inadecuada en la realización del proceso junto con un mal ángulo de posición de la pistola soldadora. Además de la relación previamente dicha entre la cantidad de calor y la velocidad, se puede observar una lineal entre la cantidad de calor aportado por el proceso y la penetración, a una mayor cantidad de calor aportado una mayor penetración en la placa. A pesar de que para el cordón 2 existe una gran variación porcentual, se debe considerar que el corte para el estudio de la penetración fue aleatorio y esta medición no representa una medición promedio que puede estar más cerca de la penetración calculada. En relación a los cordones realizados con la soldadura MIG en comparación a la soldadura realizada por el proceso SMAW se puede ver un cordón de baja calidad superficial, baja uniformidad y penetración levemente mayor a los cordones realizados por MIG. A pesar de que el proceso MIG es mucho mejor que el proceso SMAW en cuanto a realización de cordones soldadura con una gran calidad superficial, uniformidad, fácil ejecución y penetración la gran desventaja es su elevado costo que radica en el gas que genera la atmósfera apta para la soldadura, si bien en SMAW como se mencionó previamente se realizó un cordón de bajísima calidad, pero su bajo costo y mayor versatilidad es preponderante a la hora de elegir entre ambos procesos. Si bien ambos procesos tienen ventajas y desventajas la elección va a depender de la situación y los costos asociados a esta situación, ya que si bien los campos de aplicación de ambos procesos son similares, es mucho mas elevado el proceso de soldadura MIG/MAG ya que como anteriormente se mencionó el tanque gas necesario para la creación de la atmósfera que induce el arco eléctrico y genera el revestimiento que protegerá de la oxidación al cordón son por lo general gases nobles como el argón o gases de difícil manejo como el CO2. Un mayor desarrollo el proceso de soldadura MIG y sobre los metales y como estos reaccionan a las altas temperaturas permitirían la creación o rediseño de este proceso con menores costos, aumento la productividad, eficiencia y utilidades en el contexto productivo.

Apéndice. •

Marco Teórico.

La soldadura por arco es uno de varios procesos de fusión para la unión de metales. Mediante la aplicación de calor intenso, el metal en la unión entre las dos partes se funde que, tras el enfriamiento y la solidificación, se crea una unión metalúrgica. Puesto que la 6

Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. unión es una mezcla de metales, la soldadura final, potencialmente tiene las mismas propiedades de resistencia como el metal de las piezas. Esto está en marcado contraste con los procesos que no son de fusión en la unión (es decir, soldadura blanda, soldadura fuerte, etc.) en el que las propiedades mecánicas y físicas de los materiales de base no se pueden duplicar en la junta. En la soldadura por arco, el intenso calor necesario para fundir el metal es producido por un arco eléctrico. El arco se forma entre el trabajo actual y un electrodo (recubierto o alambre) que es manualmente o mecánicamente guiado a lo largo la junta. El electrodo es una varilla con el simple propósito de transportar la corriente entre la punta y el trabajo. O puede ser una varilla o alambre especialmente preparado que no sólo conduce la corriente, sino también se funde y suministra metal de relleno a la unión. La mayor parte de la soldadura en la fabricación de productos de acero utiliza el segundo tipo de electrodo.

Ilustración 7 Diagrama soldadura por arco.

El circuito básico de arco de soldadura se ilustra en la figura, una fuente de poder de CA o DC, equipada con lo que pueden ser controles necesarios, está conectada por un cable de trabajo a la pieza de trabajo y por un cable "caliente" a un porta electrodo de algún tipo, que hace contacto eléctrico con el electrodo de soldadura. Un arco se crea a través de la separación cuando el circuito con energía en la punta del electrodo toca la pieza de trabajo y se retira, y así en estrecho contacto. El arco produce una temperatura de aproximadamente 6500ºF en la punta. Este calor se derrite tanto en el metal de base como en el electrodo, produciendo una pila de metal fundido a veces llamado "cráter". El cráter se solidifica detrás del electrodo a medida que se mueve a lo largo de la junta. El resultado es una unión por fusión. Sin embargo, la unión de metales requiere algo más que mover un electrodo a lo largo de una unión. Los metales a altas temperaturas tienden a reaccionar químicamente con elementos presentes en el aire como oxígeno y nitrógeno. Cuando el metal en el charco de fusión entra en contacto con el aire, óxidos y nitruros, destruyen la resistencia y dureza de la unión soldada. Por lo tanto, muchos procesos de soldadura de arco proporcionan algunos medios de cubrir el arco y el charco de fusión con un escudo protector de gas, vapor, o escoria. Esto se denomina arco protegido. Este blindaje evita o minimiza el contacto del metal fundido con el aire. El blindaje también puede mejorar la soldadura. Un ejemplo es un fundente granular, que en realidad añade desoxidantes a la soldadura.

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Ilustración 8 penetración del electrodo en el metal.

La figura ilustra el blindaje del arco de soldadura y el baño de fusión con un electrodo revestido. El extruido que cubre la varilla de metal de relleno, proporciona un gas de protección en el punto de contacto mientras la escoria protege la soldadura fresca del aire. El arco en sí es un fenómeno muy complejo. La comprensión profunda de las características físicas del arco es en realidad de poco valor para el soldador, pero un poco de conocimiento de sus características generales te puede ser útil. Propiedades del Arco Un arco es una corriente eléctrica que fluye entre dos electrodos a través de una columna de gas ionizado. Un cátodo cargado negativamente y un ánodo cargado positivamente crean el intenso calor del arco de soldadura. Los iones negativos y positivos se hacen rebotar entre sí en la columna de plasma a un ritmo acelerado. En la soldadura, el arco no sólo proporciona el calor necesario para fundir el electrodo y el metal base, bajo ciertas condiciones también debe proporcionar los medios para transportar el metal fundido desde la punta del electrodo a la obra. Existen varios mecanismos para la transferencia de metal. Dos (de muchos) ejemplos incluyen: 1. Tensión superficial Transfer-Una gota de metal fundido toca el baño de metal fundido y se dibuja en ella por la tensión superficial. 2. Pulverización de arco –La gota se expulsa desde el metal fundido en la punta del electrodo por una partícula eléctrica impulsándola al baño de fusión fundido (ideal para soldadura de cabeza). La punta de un electrodo se funde bajo el calor del arco y las gotitas fundidas se separan y se transporta a la labor a través de la columna del arco. Cualquier sistema de soldadura por arco en el que el electrodo se funde fuera para formar parte de la soldadura se describe como metal de arco. En tungsteno (TIG) de carbono no hay gotitas fundidas que puedan ser presionadas a través del hueco y sobre la labor. El metal de relleno se funde en la junta por separado en un electrodo o alambre de soldadura. Gran parte del calor desarrollado por el arco se transfiere al baño de soldadura con electrodos. Esto produce más eficiencias térmicas y menos zonas afectadas por el calor. Puesto que debe haber un camino ionizado para conducir la electricidad a través de una brecha, al momento de encender la corriente de soldadura con un electrodo “frio” no se iniciará el arco. El arco debe ser encendido. Esto es causado por cualquier suministro de

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Universidad de Santiago de Chile. Departamento de Ingeniería Mecánica. Facultad de Ingeniería. voltaje inicial lo suficientemente alto para causar una descarga o tocar el electrodo en la labor y luego retirarlo cuando el área de contacto se calienta. La soldadura por arco se puede hacer con corriente directa (DC) o con un electrodo positivo o negativo con corriente alterna (AC). La elección de la corriente y la polaridad depende del proceso, el tipo de electrodo, la atmósfera del arco, y el metal que se esté soldando. o

Proceso MIG/MAG.

El proceso GMAW o MIG/MAG es un proceso de soldadura de polaridad inversa en el cual el electrodo consumible, solido y desnudo es protegido de la atmosfera por medio de una atmosfera protectora, proporcionada de forma externa en general de bióxido de carbono, de mezclas de argón o gases con base de helio. La transferencia de del metal por el proceso MIG se logra por uno de los dos métodos: el método de arco de roció y el método del corto circuito. Los electrodos que se emplean en el método del arco de roció son de mayor diámetro 0,045 a 0,125 pulg. que se utilizan en el método del circuito; el aro esta establecido todo el tiempo. Por esta razón el método del arco de roció produce un deposito pesado de metal de aporte, por lo tanto, debe restringirse este método a la soldadura de una sola pasada o a la de varias pasadas en forma plana u horizontal y en conjuntos soldados de 1/8 de pulgada de espesor o mas gruesos. El método del coroto circuito es excepcionalmente adecuado para soldar secciones delgadas en cualquier posición de la aplicación. Los aceros no aleados y aleados se sueldan preferentemente con gas activo, p. ej. dióxido de carbono. Este sub-procedimento se denomina soldadura con gas activo de metal, soldadura MAG en su forma abreviada. Los aceros muy aleados y los materiales como el aluminio, el magnesio, materiales con base de níquel y el titanio se sueldan con gas inerte, p. ej. argón. El sub-procedimento que se aplica para tal fin es la llamada soldadura con gas inerte de metal, o soldadura MIG. Es posible unir chapas finas a partir de espesores de 0,8 mm y soldar chapas más gruesas con espesores superiores a 10 mm. La soldadura MSG puede utilizarse tanto en una antorcha manual como también con sistemas de soportes mecanizados como pórticos o robots. Los parámetros a considerar en la soldadura MIG/MAG: •

Tensión: Potencial eléctrico suministrado por la fuente de poder capaz de generar una corriente, provocando el arco eléctrico.

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Velocidad de alimentación: Rapidez con que el alambre sale desde la pistola de soldadura, medida en pulgadas/minuto.

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Longitud libre del alambre: Corresponde a la zona del alambre que se encuentra fuera del tubo de la pistola, influye en la deposición del material de aporte.

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Polaridad: Determina en qué forma se realiza el proceso de soldadura, de manera directa o indirecta influyendo en la penetración y dimensiones del cordón.

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Ángulo de inclinación de la pistola: Ángulo entre la pistola y la pieza a trabajar. 9

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El proceso de funcionamiento de este tipo de soldadura queda representado en la siguiente ilustración:

Ilustración 9 Diagrama equipo de soldadura MIG/MAG.

En la cual se comienza por la conexión entre la torcha de soldadura con el equipo de la máquina. A través de esta discurre el material de aportación, la corriente de soldadura y el gas de protección Luego el soldador debe elegir los parámetros del voltaje a trabajar y la velocidad de alimentación según el material que se desea trabajar. La clasificación del material de aporte como micro-alambre se denota de la siguiente forma:

Tabla 4 Nomenclatura de electrodo para proceso MIG/MAG.

ER 70S-6 𝐸𝑅 = 𝐸𝐿𝐸𝐶𝑇𝑅𝑂𝐷𝑂 70 = 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑎 𝑙𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑐𝑐𝑖ó𝑛 × 1000𝑝𝑠𝑖 𝑆 = 𝐴𝑙𝑎𝑚𝑏𝑟𝑒 𝑠ó𝑙𝑖𝑑𝑜 6 = 𝐺𝑎𝑠, 𝐶𝑜𝑚𝑝𝑜𝑠𝑖𝑐𝑖ó𝑛 𝑄𝑢í𝑚𝑖𝑐𝑎 •

Bibliografía. o o o

Manual de Soldadura de Indura. Soldadura Aplicaciones y Práctica. Henry Horwitz. 1999 Guía de laboratorio “C-60g” Proceso de soldadura industrial manual GMAW (MIG/MAG).

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