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Informe soldadura 2 parcial acerca de la soldabilidad del aluminio as skdm sdsa
Tipo: Guías, Proyectos, Investigaciones
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El aluminio es el tercer elemento más abundante en la naturaleza (después del oxígeno y el silicio), que hasta fines del siglo XIX era caro y difícil de producir. Las propiedades generales del aluminio y el acero se resumen en la Tabla 1: Tabla 1. Propiedades generales del aluminio y del acero
El aluminio tiene un módulo de elasticidad de 10*10^6 psi (70 GPa) y una temperatura de fusión de ~600 °C. Además es un buen conductor eléctrico, pero los elementos de aleación generalmente empeoran este comportamiento. Las aleaciones de aluminio tienen propiedades relativas a la tensión más bajas que el acero, sin embargo, su resistencia específica es excelente. Alrededor de 25% del aluminio que se produce en la actualidad se usa en la industria del transporte, otro 25% en la manufactura de latas de bebidas refrescantes y otros envases, alrededor de 15% en la construcción, 15% en aplicaciones eléctricas y 20% en otras aplicaciones. Finalmente podemos mencionar, que este elemento reacciona con el oxígeno, incluso a temperatura ambiente, para producir una capa extremadamente delgada de óxido de aluminio que protege el metal base contra numerosos ambientes corrosivos. Este fenómeno es contrario a la creencia común de que el Al no se oxida, ya que sí lo hace, pero el óxido que produce es altamente adherente por lo que se sella en la superficie e impide la corrosión futura.
METAL kg/m^ DENSIDAD (^3) lb/pulg^3 RESISTENCIA A LA TENSIÓN [MPa]^ RESISTENCIA ESPECÍFICA [m] [Dólares] POR KG^ COSTO Aluminio 2700 0.098 573 2.2 * 10^4 1. Acero ~7870 0.284 1380 1.8 * 10^4 0.
recocidos, endurecimientos por envejecimiento, trabajos en frío, etc., existen ciertas denominaciones que se tienen que agregar a la nomenclatura de la aleación. En la Tabla 3 se presentan algunas de las denominaciones adicionales para aleaciones forjadas según el tratamiento térmico a la que son sometidas. Tabla 3. Designaciones de temple de aleaciones forjadas de aluminio
DESIGNACIÓN ESPECIFICACIÓN F Cómo se fabricó (trabajada en caliente, forjada, fundida, etc.) O Recocida (en la condición más blanda posible)
H
Trabajada en frío. ● H1x:sólo trabajada en frío. (La x se refiere a la cantidad de ● trabajo en frío y endurecimiento.)H12: trabajo en frío que proporciona resistencia a la ● tensión en medio entre templados 0 y H14.H14: trabajo en frío que proporciona resistencia a la ● tensión en medio entre templados 0 y H18.H16: trabajo en frío que proporciona resistencia a la ● tensión en medio entre templados H14 y H18.H18: trabajo en frío que proporciona alrededor de 75% de ● reducción.H19: trabajo en frío que proporciona resistencia a la tensión mayor de 2000 psi de la obtenida por el templado H18. ● ● H2x: trabajada en frío y parcialmente recocida.H3x: trabajada en frío y estabilizada a baja temperatura para estructura. impedir endurecimiento por envejecimiento de la W (^) Tratada por solución
T
Endurecido por envejecimiento ● T1: enfriada desde la temperatura de fabricación y ● envejecida naturalmente.T2: enfriada desde la temperatura de fabricación, trabajada ● en frío y envejecida naturalmenteT3: tratada por solución, trabajada en frío y envejecida ● naturalmente.T4: tratada por solución y envejecida naturalmente. ● T5: envejecida artificialmente. enfriada desde la temperatura de fabricación y ● ● T6: tratada por solución y envejecida artificialmente.T7: tratada por solución y estabilizada por exceso de ● envejecimiento.T8: tratada por solución, trabajada en frío y envejecida artificialmente.
Estudio de la metalurgia de la soldadura del material base a fin de garantizar que las propiedades de la junta sean similares a la del material base. Ahora que conocemos el sistema de clasificación general según la ASTM, hablaremos acerca de la especificación o la norma ASTM E308/E308 M, cuyo alcance cubre perfiles estructurales estándar de aleación de aluminio 6061-T6. La composición química y sus propiedades generales mecánicas se encuentran resumidas en las Tablas 4 y 5 respectivamente. Tablas 4. Composición química de la aleación ASTM E308 6061-T6 en porcentaje
Tabla 5. Propiedades mecánicas generales de la aleación ASTM E308 6061-T
Estudio Metalúrgico del Aluminio-6061-T Por naturaleza las aleaciones de aluminio son alotrópicas al igual que el acero, para la aleación 6061-T6 como se puede observar en la Tabla 4 , existen dos componentes con mayor peso, el silicio (Si) y el magnesio (Mg), si queremos esta estructura deberíamos usar un diagrama de fases ternario Al-Mg-Si ( Anexo 1 ), pero su estudio es mucho más complejo. Por este motivo utilizaremos el diagrama de fases de la Figura 1.
● T9: trabajada en frío. tratada por solución, envejecida artificialmente y ● T10: trabajada en frío y envejecida artificialmente. enfriada desde la temperatura de fabricación,
Si Mg Cu Mn Cr Zn Ti Otros Al 0.40-0.80 0.80-1.20 0.15-0.40 0.15 0.04 - 0.35 0.25 0.15 0.15 Resto
RESISTENCIA A LA TENSIÓN (MPa)
RESISTENCIA A LA FLUENCIA (MPa)
PORCENTAJE DE ELONGACIÓN 310 276 15
y tiempo para obtener una distribución óptima de precipitados desde el punto de vista del endurecimiento) a 177 °C aproximadamente con mantenimiento a esa temperatura durante 8 horas. La aleación generalmente es calentada hasta los 529°C para comenzar el tratamiento, esté mejora notablemente algunas de sus propiedades mecánicas, el control de la precipitación es crítico para lograr un óptimo resultado en la aleación. En la Figura 2 se muestra la representación gráfica del tratamiento descrito.
Figura 2. Tratamiento térmico T6 para la aleación 6061 Problemas específicos que se pueden esperar al soldar la junta por soldadura por fusión mediante arco eléctrico. El uso del aluminio crece cada vez más a nivel industrial. La necesidad de reducir los pesos del material para incrementar la productividad y disminuir el gasto energético hace del aluminio el material ideal, gracias a su extraordinaria proporción de peso y de resistencia, no tiene grandes propiedades de resistencia, debido a lo suave y dúctil de su estado puro, es necesario adicionar aleantes para enriquecer sus propiedades y convertirlo en un material con resistencia similar a los aceros convencionales, los aleantes aportan propiedades como la resistencia a la tracción y al desgaste friccional sin embargo, también pueden representar una desventaja y
una dificultad para la soldabilidad del material, en algunos casos el material de soldadura es menos resistente que el material base (excepto en los aceros convencionales). Por eso, la zona afectada térmicamente genera una ZAT más débil debido a la alta conductividad de calor aplicada. ASTM B308 6061 es excelente para la soldadura, formado por extrusión en caliente a través de una matriz, es una aleación de aluminio tratable con calor extremadamente versátil debido a su contenido de silicio y magnesio, tiene una amplia gama de propiedades mecánicas y de resistencia a la corrosión, se utiliza en muchas aplicaciones, desde estructuras de aviones, construcción de yates, carrocerías de camiones, cuadros de bicicletas hasta atornillar piezas de máquinas. Problemas en la Soldabilidad Del Aluminio A continuación se mencionan los factores influyentes en la realización de las uniones soldadas, en otras palabras, los que influencian la soldabilidad del aluminio.
❖ Preparación de la pieza: Las operaciones que se llevan a cabo en el material antes de soldar tienen el objetivo de eliminar todo vestigio de suciedades e impurezas, las cuales actúan negativamente en la calidad de la unión, al ser fuentes de origen de defectos tales como: porosidades, inclusiones, estas impurezas pueden ser: pinturas, óxidos, grasas, etc. Las piezas se deben colocar de manera tal de garantizar la planicidad de las mismas. ❖ La preparación de los bordes: En el caso de espesores mayores de 5 mm es en V con biseles entre 60 a 90° con el adecuado punteado de los bordes, a continuación se muestra la preparación de bordes sobre una pieza de aluminio fundido y espesor de 8 mm.
Figura 4. Precalentamiento de los bordes
Hay que tener bien claro que un ligero precalentamiento es bueno, pero demasiado precalentamiento puede degradar las propiedades del aluminio. Para aleaciones tratables térmicamente, el último tratamiento térmico es 205ºC. Si el operario precalienta a 177ºC y mantiene esa temperatura mientras suelda, las propiedades mecánicas del aluminio cambiarán. ❖ Tipo de corriente y gas protector: En aplicaciones de aluminio grueso en las que se necesita una cantidad intensa de calor, pero nos vemos limitados por el rango de amperaje de nuestra antorcha, una mezcla de argón/helio es la mejor opción. La combinación de argón y helio puede ayudarnos a lograr la penetración deseada y estabiliza el arco al aumentar su rango de voltaje. En el comercio pueden adquirirse cilindros premezclados de 75 % argón/25 % helio, pero una desventaja es que el gas en el interior se estratifica, minimizando los beneficios de helio. Atento a ello, un mezclador de gases puede solucionar este problema, brindando la posibilidad de personalizar la mezcla para nuestra aplicación, mantener la mezcla en la antorcha y proporcionar un caudal constante.
❖ Temperatura de fusión del aluminio: El aluminio puro funde a unos 600ºC y las aleaciones de aluminio a unos 560ºC, temperaturas muy bajas en comparación con la del acero (1535ºC) y la del cobre (1082ºC). Sin embargo las aleaciones de aluminio no cambian de color durante el calentamiento, por lo que se corre el riesgo de perforar la pieza, formación de la alúmina u óxido de aluminio (Al2O3). La formación de la alúmina es la causa de la insoldabilidad operatoria del metal y sus aleaciones; su presencia se opone a la interpenetración de las gotas fundidas que aseguran la continuidad del cordón de soldadura. ❖ Conductividad térmica: Las aleaciones de aluminio conducen el calor tres veces más rápido que el acero, por lo que se requerirá un aporte térmico más elevado para soldar una pieza de aluminio que una de acero, para conseguir una buena fusión cuando la pieza tenga gran espesor, es necesario realizar un precalentamiento, en el caso de algunas aleaciones, el ciclo térmico de soldadura provoca en el material base y zona fundida, la precipitación de compuestos definidos de la solución sólida, originando la disminución, por una parte, de las características mecánicas y, por otra, de la resistencia a la corrosión. A consecuencia de que las aleaciones de aluminio tienen un coeficiente de expansión térmica relativamente alto comparado con la mayoría de los metales soldables, en estos se obtienen menores deformaciones.
cepillarlas utilizando cepillos con púas de acero inoxidable. Estos cepillos deberán destinarse exclusivamente a la limpieza de aluminio. Acciones recomendadas a considerar en la junta soldada. Antes de soldar hay que quitar la capa de óxido de aluminio, si no se elimina totalmente, en la soldadura quedarán atrapadas pequeñas partículas de óxido sin fundir y originarán disminución en la ductilidad, falta de fusión y muchos casos fisuras de la soldadura. La capa de óxido de aluminio se puede eliminar por medios mecánica, que consiste en raspar con una herramienta afilada, lija o carda de alambre, químicos, se puede usar soluciones limpiadoras o fundentes de soldadura y eléctricos, se emplea un bombardeo catódico o de electrones. El precalentamiento para soldar secciones más gruesas si la temperatura es demasiado alta o el tiempo muy largo, puede ser perjudicial solar para alta resistencia en las aleaciones tanto tratadas térmicamente como las inducibles al trabajo. El precalentamiento para el aluminio no debe rebasar los 204ºC o 400ºF y no hay que mantener a temperatura las partes más de lo necesario, debido a la alta conductividad térmica, se deben utilizar procesos de soldadura de mayor velocidad que consumen bastante calor. El procedimiento GTAW que es una alternativa para soldar aluminio, en este procedimiento es de mayor uso en aplicaciones industriales dado el costo de los equipos y tamaño de los mismos. Se debe tener en cuenta que el proceso GTAW demanda una alta habilidad de los soldadores o en algunos casos equipos automatizados (robóticos) para realizar los trabajos. Para la soldadura de aluminio con GTAW, se recomienda la corriente alterna para el trabajo de tipo general porque da medio ciclo de acción limpiadora, se
emplea generalmente la soldadura con corriente alterna para una con alta frecuencia en las aplicaciones manuales y automáticas, también se utilizan electrodos de Tungsteno puro, en un rango de 175 a 210 amperios y argón como gas de protección. Cuando se suelde manualmente la longitud del arco se debe mantener corta e igual al diámetro del electrodo, el electrodo de tungsteno no debe sobresalir demasiado del extremo de la boquilla, se debe mantener limpio al tungsteno y volver a prepararlo si toca accidentalmente el metal fundido. Para la soldadura automática o máquina se puede usar corriente directa con el electrodo negativo (polaridad directa), la limpieza debe ser extremadamente eficiente porque no se encuentra con un bombardeo catódico que ayude. Cuando se usa corriente directa con electrodo negativo se pueden obtener penetraciones extremadamente grandes y altas velocidades. Cuando se use alambre de aporte, ya sea de forma manual o automáticamente debe estar limpio, si no se quita el oxido del alambre de aporte, puede introducir humedad que tenderá a producir porosidad al depositar la soldadura. Para la soldadura GMAW, esta puede ser utilizada para soldar aluminio, a pequeña y mediana escala, es decir para uso de taller y doméstico, este proceso de soldadura se puede aplicar a los espesores mayores de aluminio y es mucho más rápido que el GTAW. Se debe tomar precauciones como que el alambre de electrodo debe estar limpio y en donde se almacenan los electrodos, para que cuando se usen produzcan soldaduras de alta calidad, si existiera porosidad es posible que provenga de la humedad absorbida en a la capa de óxido del alambre de electrodo.
Aplicación práctica en una junta de ejemplo
La soldadura para Aluminio 6061-T6 resulta complicada debido a que se trata de un material que puede sufrir grandes deformaciones y/o agrietamiento por los bruscos cambios de temperatura durante este procedimiento.
1. Proceso a utilizar La soldadura por arco de tungsteno con gas (GTAW) es un proceso de soldadura por arco que produce coalescencia de metales calentándose con un arco entre un electrodo de tungsteno (no consumible) y el trabajo. Se obtiene protección a partir de un gas o de una mezcla de gases. Cuando se usa material de relleno, éste se proporciona mediante el uso de varillas. El proceso emplea un electrodo de tungsteno que no se consume sostenido en un soplete, el soplete alimenta gas protector que es el encargado de proteger al electrodo, al charco de soldadura y al metal base de contaminación por parte de la atmósfera. El arco se produce por el gas protector ionizado que se establece entre la punta del electrodo y el material de trabajo. El calor generado es el encargado de fundir el metal base, cuando el arco se establece, la pistola se mueve a lo largo de la unión, si se emplea metal de aporte, éste se alimenta por el borde delantero para llenar la junta. Las características sobresalientes del proceso de soldadura por arco de tungsteno con gas son las siguientes: ❖ Producirá soldadura de alta calidad en casi todos los metales y aleaciones. ❖ Se requerirá muy poca, si es que alguna, limpieza posterior al trabajo de soldado.
❖ El arco y el charco fundido de la soldadura son claramente visibles para el soldador. ❖ No hay metal de aporte transportado a lo largo del arco, por lo tanto, no hay salpicaduras o sólo pocas, ❖ La soldadura puede hacerse en todas las posiciones. ❖ No sé produce ninguna escoria que pudiera quedar atrapada en el cordón depositado.
Figura 6. Proceso de soldadura GTAW
2. Preparación de la junta
Figura 7. Preparación de la junta La junta con un espesor de 8mm, de 300mm de largo y ancho se la preparo realizando un biselado en V con abertura y cara de raíz de 2mm y con un ángulo de ranura de 60 grados con una unión a tope. La limpieza del aluminio antes de
En los casos en que los materiales son almacenados fuera y desarrollan un óxido gris pesado, puede ser necesario eliminar el óxido utilizando un disco de amolado y lijado.
Tabla 6. Métodos de limpieza para superficies de aluminio
3. Tipo de consumible
Figura 8. Electrodo INDURA ER - 4043
humedad y polvo^ Aceite, grasa, (utilizar cualquier método indicado)
Óxidos (utilice cualquier método de la lista)
Se utilizará un electrodo de aporte INDURA ER-4043 el cual su composición química típica del metal depositado es de Mn 0,04%; Si 5,25%; Cu 0,23%; Fe 0,8%; Mg 0,08%; Zn 0,08%; Está diseñado para cumplir con los requisitos de aleaciones de aluminio, que usan procedimientos de soldadura con gas inerte en los procesos MIG y TIG, se caracteriza por una alta calidad de los depósitos y excelente brillo en la superficie de los cordones. Este es un electrodo continuo usado principalmente con argón y helio, su resistencia a la tracción, ductilidad y resistencia a la corrosión de los depósitos, superan a las del material base, es recomendado para soldar planchas de gran espesor y aluminios de alta calidad ya que la alta conductividad térmica de estos materiales hace aconsejable el uso de un precalentamiento de entre 200 °C y 220 °C. Su diámetro es de 1.2 mm con un rango de amperaje de mínimo 100 hasta un máximo de 250, con un voltaje de entre 18 a 23 volts.
4. Variables operativas
❖ Corriente del arco: La corriente del arco controla la penetración de la soldadura, en este proceso se puede usar con corriente continua y corriente alterna, y la elección depende en buena parte del metal que se va a soldar. La corriente continua con el electrodo negativo ofrece las ventajas de penetración profunda y velocidades de soldadura altas, mientras que la corriente alterna tiene una acción de limpieza catódica (chisporroteo) que elimina óxidos refractarios de las superficies de unión de aluminio y magnesio, lo que permite obtener soldaduras de muy buena calidad. ❖ Voltaje del arco: El voltaje es una variable muy dependiente, el cual se ve afectado por la corriente del arco, la forma de la punta del electrodo de
