caracterizacion junta soldada SAW

1. CARACTERIZACI ´ON Y EVALUACI ´ON DE UNA JUNTA SOLDADA
BAJO PROCESO SAW
Berthing Guti´errez,Omar Villarreal
Universidad Nacional de Colombia-Sede Bogot´a
Abstract
En este proyecto se caracterizaron las propiedades mec´anicas y micro y micro estructurales de una uni´on soldada de acero
al carbono. La uni´on es una junta a tope con bisel en v, soldada en posici´on plana mediante el proceso de soldadura por
arco sumergido (SAW). La uni´on se fabric´o utilizando la m´aquina Lincoln Electric DC NA-3S del laboratorio de soldadura de
la Universidad Nacional de Colombia sede Bogot´a. Para llevar a cabo la caracterizaci´on se realizaron ensayos mec´anicos de
tensi´on, doblez de cara, doblez de ra´ız, dureza, micro-dureza y se observ´o la estructura cristalina de la uni´on soldada mediante
microscop´ıa ´optica y macroataque. La junta fue evaluada contra el c´odigo de soldadura de estructuras de acero AWS D1.1. Se
encontr´o que el cord´on de soldadura fue aplicado bajo par´ametros adecuados despu´es de las pruebas de doblez y los ensayos
de dureza en la zona longitudinal al cord´on de soldadura. El ensayo de tensi´on arroj´o una falla ductil en el metal base como era
de esperarse al ser la resistencia mec´anica del metal de aporte mucho mayor. La microestructura observada fue predominante
ferrita en el ´area del metal base y martensita en el dep´osito de soldadura.
I. INTRODUCCI ´ON
La soldadura es un proceso de uni´on entre metales en el
que la uni´on se produce por la coalescencia de los materiales
debido al calentamiento de estos hasta la temperatura de
soldadura. Durante la soldadura se pueden aplicar o no
metales de aporte para llevar a cabo la uni´on. La soldadura es
uno de los principales procesos de fabricaci´on y reparaci´on
de productos met´alicos usados a nivel industrial hoy en
d´ıa debido a su sencillez, cortos tiempos de aplicaci´on,
buena rigidez del conjunto final y la versatilidad para unir
geometr´ıas complejas y distintos tipos de materiales [1]
. El proceso de soldadura por arco sumergido es un proceso
de alta productividad. Generalmente es aplicado de manera
autom´atica o mecanizada utilizando un carrete continuo de
electrodo. En este proceso el arco se encuentra protegido
bajo una capa de fundente, el cual es suministrado por una
tolva que se desplaza delante del arco mientras la soldadura
est´a en progreso. El fundente m´as cercano al arco se derrite
y forma escoria en la superficie de la soldadura, protegiendo
as´ı al metal fundido de reaccionar con la atm´osfera. El polvo
residual puede ser reutilizado. Cuando los par´ametros de la
soldadura son ajustados adecuadamente, la apariencia de la
soldadura es uniforme y brillante. La escoria tambi´en es
removida f´acilmente [2]
. La soldadura por arco sumergido es utilizada principalmente
para la uni´on de piezas grandes como placas en astilleros,
soldadura longitudinal de grandes tuber´ıas o vigas, o de gran-
des recipientes de geometr´ıa cil´ındrica. Puede ser utilizado
tanto para soldaduras de ranura como de filete. El proceso
normalmente est´a limitado a las posiciones horizontal y plana
[2]
.
Fig. 1. Esquema del proceso de soldadura por arco sumergido (SAW)
Durante la soldadura se involucran muchos y diversos
fen´omenos metal´urgicos, tales como fusi´on, solidificaci´on,
difusi´on y transformaciones de fase en estado s´olido, entre
otros. Estos fen´omenos influyen en las propiedades finales
de las uniones soldadas y si no son controlados adecuada-
mente pueden generar discontinuidades en las piezas como
porosidades, grietas, faltas de fusi´on, inclusiones o socavado
[2]˙Las discontinuidades afectan las propiedades mec´anicas y
la resistencia a la corrosi´on finales del conjunto soldado
. El control de calidad es una disciplina de la ingenier´ıa
que est´a relacionado con la evaluaci´on de todos los factores
involucrados en un proceso productivo. Los requerimientos
de calidad con respecto a las estructuras soldadas est´an
establecidos en est´andares, c´odigos, regulaciones y espe-
cificaciones contractuales [1]˙En soldadura los principales
c´odigos usados son el c´odigo de recipientes y calderas a
presi´on de la ASME, el c´odigo de estructuras soldadas en
acero de la AWS y la norma API 1104 de soldadura de
tuber´ıas para transporte de hidrocarburos [4] [5] [6]
. Una junta soldada es caracterizada mediante la aplicaci´on
de t´ecnicas destructivas: ensayos mec´anicos de tensi´on, do-
blez, impacto, dureza e identificando la microestructura obte-

2. nida. Tambi´en existen m´etodos de inspecci´on no destructivos
para el control de calidad tales como inspecci´on visual, tintas
penetrantes, radiograf´ıa, ultrasonido y part´ıculas magn´eticas.
II. OBJETIVOS
Caracterizar las propiedades mec´anicas: resistencia a la
tracci´on, dureza y microdureza de una uni´on soldada
bajo el proceso de electrodo por arco sumergido
Caracterizar la microestructura y macroestructura de
una uni´on soldada bajo el proceso de soldadura por
arco sumergido
Evaluar la uni´on soldada contra los requisitos estableci-
dos en el c´odigo AWS D1.1. de soldadura de estructuras
de acero al carbono
III. MATERIALES, M ´ETODOS Y EQUIPOS
III-A. Construcci´on de la junta
La junta soldada se construy´o con dos platinas de acero
estructural A-36 de 12,5 cm de ancho y 8 mm de espesor
(5/16”). La geometr´ıa de la junta es una junta a tope con
bisel en v de 300 mm de longitud, se us´o una apertura de
ra´ız de 6 mm (Figura 2). Se utiliz´o una platina de respaldo
del mismo espesor de las piezas y 5 cm de ancho.
Fig. 2. Plano de la uni´on soldada
La junta fue soldada utilizando la m´aquina de soldadura
por arco sumergido Lincoln Electric DC NA-3S del laborato-
rio de soldadura y ensayos no destructivos de la Universidad
Nacional de Colombia sede Bogot´a. Se utiliz´o una velocidad
de avance de 30 cm (12 in) por minuto, un voltaje de 28 V y
una corriente de 280-330 A. La especificaci´on del electrodo
y el fundente empleados es F7A2-EL12-H8 seg´un la norma
AWS A5.23, lo que da como resultado un metal de aporte con
una resistencia a la tensi´on de 70 ksi, no requiere tratamiento
t´ermico despu´es de la soldadura y tiene una resistencia al
impacto de 20 lb ft a - 20 F. En la Figura 3 se muestra una
fotograf´ıa de la junta durante el proceso de soldadura
.
Fig. 3. Union soldada
III-B. Macroataque y microscopia
Se cort´o una probeta de 2,5 cm de ancho y 10 cm de
longitud mediante corte por plasma. La zona afectada por
el calor debido al corte fue removida con maquinado por
fresado. Previamente se prepar´o un molde de cart´on de base
rectangular dentro del que se coloc´o la probeta cuidando de
obtener caras paralelas. Se verti´o una resina ep´oxica sobre
el molde y se dej´o solidificar por doce horas para embeber
la probeta. Despu´es, ambas caras del molde fueron lijadas
cuidadosamente para obtener caras paralelas
. La cara maquinada fue lijada exhaustivamente con hojas
abrasivas cada vez m´as finas y finalmente usando pa˜nos y una
dispersi´on de al´umina para remover las marcas del maqui-
nado y obtener un acabado tipo espejo. Una vez se termin´o
el pulido, se aplic´o una soluci´on al % de nital en alcohol
usando un trozo de algod´on sobre la superficie, se dej´o actuar
por 15 segundos y posteriormente se lav´o la superficie de la
pieza con agua. Se observaron macrosc´opicamente las partes
de la uni´on soldada
. Finalmente, la probeta embebida fue observada al micros-
copio. Se obtuvieron im´agenes a 100, 400 y 800 aumentos,
los cuales eran los lentes de aumento disponibles con el
microscopio del laboratorio de tratamientos t´ermicos.
III-C. Dureza
Se cort´o un trozo de la soldadura en la direcci´on trans-
versal del cord´on de 4 cm de longitud y 2 cm de ancho. El
sobre-espesor de la cara fue removido con una pulidora y
un disco de desbaste para obtener una superficie plana. El
ensayo de dureza fue realizado de acuerdo con lo establecido
en la norma ASTM A 370 ensayos mec´anicos de productos
de acero. Se us´o un indentador c´onico de diamante con una
punta de 1/16” con un carga de 150 kgf seg´un la norma para
obtener durezas en escala Rockwell C.
III-D. Doblez de cara y ra´ız
Se cortaron dos probetas de 40 mm de ancho por 150 mm
de largo de acuerdo con las dimensiones establecidas en la
Figura 4.12 del C´odigo AWS D1.1 (ver Anexo C). El corte
se hizo mediante corte por plasma. El sobreespesor de cara
fue removido con una pulidora y un disco de desbaste
.

3. Los ensayos de dobles de cara y de raiz se realizaron en la
m´aquina de ensayos universal UH-500KN SHIMADZU del
laboratorio de ensayos mec´anicos y deformaci´on pl´astica de
la Universidad Nacional de colombia. El rodillo de doblez
ten´ıa un di´ametro de 38.31 mm
III-E. Ensayo de tensi´on
Se cort´o una probeta de 32 mm de ancho por 150 mm
de largo, el corte se realiz´o mediante corte por plasma,
posteriormente se maquin´o el cuello de la probeta mediante
fresado con un radio de curvatura de 6 mm seg´un las
dimensiones de la Figura 4.13 del c´odigo AWS D.1.1 (ver
Anexo C)
. El ensayo de tensi´on se realiz´on en la m´aquina de en-
sayos universal UH-500KN SHIMADZU del laboratorio de
ensayos mec´anicos y deformaci´on pl´astica de la Universidad
Nacional de colombia.
III-F. Ensayo de microdureza
La misma probeta embebida para la metalograf´ıa y ma-
croataque fue utlizada para el ensayo de microdureza. Se
lij´o exhaustivamente la cara inferior para garantizar un
paralelismo completo entre caras y cuidar la integridad del
indentador
. El ensayo se realiz´o con la m´aquina LECO M-400-
62 HARDNESS TESTER del laboratorio de tratamientos
t´ermicos de la Universidad Nacional de Colombia, se us´o un
microindentador piramidal de diamante de escala Vickers. Se
registraron mediciones transversales al cord´on de soldadura,
obteniendo datos de micro dureza en el metal base, la zona
afectada por el calor y la zona de fusi´on.
IV. RESULTADOS
IV-A. Macroataque
A continuaci´on, se muestra la macroestructura de la junta
revelada despu´es del ataque qu´ımico con nital
Fig. 4. Macroestructura
En la Figura 4 se distinguen de manera clara tres grandes
´areas: A) la zona de fusi´on en la que se encuentra el metal
de aporte, aqu´ı se diferencian claramente los dos pases de
soldadura aplicados y se puede observar a simple vista la
estructura granular orientada producida por la solidificaci´on
del material de aporte, B) la zona afectada por el calor (HAZ)
o zona afectada t´ermicamente la cual tiene un ancho de 8
mm y C) el material base distribuido homog´eneamente.
IV-B. Microestructura
En la Figura 5 se muestra la microestructura del metal
base, la zona de transici´on entre el metal de aporte y la zona
afectada por el calor y la microestructura del metal de aporte,
observados a 100 aumentos.
Fig. 5. Microestructura de la uni´on soldada 100X
Con el microscopio ´optico a 100 aumentos se observ´o
que la interfase metal de aporte metal base es homog´enea,
existe buena fusi´on entre el metal base y el material de aporte
(Figura 5 Imagen C). Tambi´en se observ´o una buena fusi´on
entre cordones de soldadura
. En la Figura 6 se muestran las microestructuras del metal
base, la zona afectada por el calor y el metal de aporte a 400
aumentos. Las microestructuras de estas mismas ´areas a 800
aumentos se muestran en la Figura 7.
Fig. 6. Microestructura de la uni´on soldada 400X
Fig. 7. Microestructura de la uni´on soldada 800X
IV-C. ENSAYO DE DUREZA
A continuaci´on, se muestran los resultados de dureza
Rockwell C en la zona longitudinal del cord´on de soldadura
.

4. # Dureza (RC) # Dureza (RC) # Dureza (RC)
1 25 11 27 21 29
2 27 12 30.5 22 28
3 27.5 13 29 23 28
4 26.5 14 28 24 28
5 29 15 28 25 31
6 29 16 29 26 29
7 27 17 28 27 27
8 29 18 27 28 28.5
9 28 19 29 29 28.5
10 27.5 20 28 30 29
TABLE I
RESULTADOS ENSAYOS DE DUREZA
Con los datos recogidos se calcul´o el valor m´aximo, valor
m´ınimo, promedio y desviaci´on est´andar. Los resultados del
an´alisis estad´ıstico se muestran en la siguiente tabla
M´ınimo 25 (RC)
M´aximo 31 (RC)
Media 28.2 (RC)
Desviaci´on est´andar 1.18 (RC)
TABLE II
AN ´ALISIS ESTAD´ISTICO SOBRE RESULTADOS DE DUREZA
IV-D. Doblez de cara y ra´ız
En la siguiente imagen se muestra el resultado de del
ensayo de doblez a cara al que se someti´o la probeta, en la
inspecci´on visual no se observan discontinuidades y grietas
visibles.
Fig. 8. probeta ensayada en doblez de cara
A continuaci´on se muestra una imagen de la probeta
despu´es del ensayo de doblez de ra´ız. Se observa una grieta
en la direcci´on longitudinal del cord´on, sin embargo esta
grieta puede explicarse porque el proceso de remoci´on del
backing dej´o esta marca de desgarramiento en la platina, la
marca se elong´o tras el ensayo de doblez de ra´ız.
Fig. 9. probeta ensayada en doblez de ra´ız
Tras la menci´on en este punto se har´a distinci´on de grietas
surgidas por doblez y grietas que crecieron por doblez
n´umero grieta longitud [mm]
1 2.6
2 0.5
3 1.3
4 1.6
5 1.7
6 1.0
TABLE III
LONGITUD DE GRIETAS EN DOBLEZ DE RA´IZ, GRIETAS GENERADAS
n´umero grieta longitud [mm]
1 3.8
2 5.1
3 4.1
TABLE IV
LONGITUD DE GRIETAS EN DOBLEZ DE RA´IZ, GRIETAS CRECIERON CON
DOBLEZ
IV-E. Ensayo de tensi´on
La secci´on reducida con dimensiones est´andar especifica-
das en el Ap´endice, como se visualiza en la siguiente figura,
se observa que la rotura sucedi´o en el metal base. Se puede
visualizar que en la ra´ız de la soldadura existen ”grietas.estas
se produjeron por el arranque del backing , est´as se muestran
por que solicita criterio personal en la aprobaci´on con la
mencionada prueba de doblez.
Fig. 10. tramo reducido con rotura en tensi´on en metal base
a continuaci´on se visualiza la secci´on transversal de la
secci´on roturada claramente se visualiza la elongaci´on y
estricci´on de secci´on, en el anexo se aclara que la elongaci´on
llego a un valor de 35,7% visualizandos´e claramente la falla
d´uctil.

5. Fig. 11. secci´on transversal con falla d´uctil en ensayo de tensi´on
los datos obtenidos del ensayo se comparan con
Propiedad mec´anica material base metal de aporte
l´ımite el´astico 36 ksi (250 Mpa) min 60 ksi (420 Mpa)
resistencia a la tracci´on 58-80 ksi (400-550 Mpa) 73 ksi (510 Mpa)
TABLE V
PROPIEDADES MEC ´ANICAS EN METAL BASE Y METAL DE APORTE
para la probeta se obtuvo
Propiedad mec´anica probeta
l´ımite el´astico 46.8 ksi (327.724 Mpa) min
resistencia a la tracci´on 66 ksi (462 Mpa)
TABLE VI
PROPIEDADES MEC ´ANICAS EN PROBETA ENSAYADA
IV-F. ENSAYO DE MICRODUREZA VICKERS
en este ensayo se realiz´o el perfil de dureza para el primer
pase y el segundo pase obteni´endose:
zona diagonal 1 [µm] diagonal 2 [µm] HV
metal base 1 85.3 86.1 120.0
metal base 2 78.5 79.2 141.7
ZAC 1 78.6 78.9 142.0
ZAC 2 79.7 80.2 137.8
metal aporte 1 75.6 77.3 150.7
metal aporte 2 75.7 74 157.2
metal aporte 3 76.0 74.2 156.2
metal aporte 4 76.6 77.0 149.3
metal aporte 5 74.8 75 157.0
metal aporte 6 75.7 75.7 153.7
ZAC 3 72.8 72.0 72.5
ZAC 4 82.1 80.9 81.7
metal base 3 77.6 77.9 145.8
metal base 4 78.8 79.0 141.6
TABLE VII
MICRODUREZAS HV EN CORTE TRANSVERSAL EN PRIMER PASE
gr´aficamente el perfil de durezas queda
Fig. 12. perfil de microdureza Vickers en primer pase
zona diagonal 1 [µm] diagonal 2 [µm] HV
metal base 1 86.2 84.3 121.2
metal base 2 79.6 77.4 142.9
ZAC 1 79.8 77.4 142.6
ZAC 2 80.1 79.3 138.7
metal aporte 1 68.9 64.9 196.8
metal aporte 2 63.3 65.1 213.7
metal aporte 3 67.6 66.9 194.7
metal aporte 4 66.2 65.5 203.1
metal aporte 5 67.8 65.4 198.6
metal aporte 6 65.1 64.2 210.7
ZAC 3 72.8 71.1 170.2
ZAC 4 82.1 79.7 134.6
metal base 3 78.2 76.9 146.5
metal base 4 79.7 77.8 142.0
TABLE VIII
MICRODUREZAS HV EN CORTE TRANSVERSAL EN SEGUNDO PASE
gr´aficamente el perfil de durezas queda
Fig. 13. perfil de microdureza Vickers en segundo pase
V. AN ´ALISIS DE RESULTADOS
V-A. Metalograf´ıa
El metal base y la zona afectada por el calor presentan
una microestructura predominantemente ferr´ıtica, como es
de esperar ya que se trata de un acero al carbono, con un
muy bajo porcentaje de carbono, por lo que la zona afectada
por el calor presenta pocas heterogeneidades. Por otra parte,
la zona de fusi´on presenta una microestructura martens´ıtica
debido al temple que se produce por la fusi´on y posterior
solidificaci´on del metal de aporte.

6. V-B. Dureza
La dureza promedio obtenida en la zona del cord´on de
soldadura fue de 28,2 RC, esta es significativamente superior
a la obtenida en el metal base la cual es de alrededor de 15
RC. Sin embargo, est´a a´un muy por debajo de la dureza t´ıpica
de un acero aleado templado la cual est´a entre 45-68 RC,
debido a que el metal de aporte es un acero de baja aleaci´on
con un porcentaje equivalente de carbono reducido (0,12 de
acuerdo con la especificaci´on del fabricante). La desviaci´on
est´andar fue de 1,18 RC, lo que indica que la dispersi´on de
los datos recogidos es muy baja (4 por ciento), por lo que
se puede asegurar que el cord´on fue aplicado de manera
uniforme. Adem´as, si se supone que los datos tienen el
comportamiento de una distribuci´on normal todos los valores
registrados est´an dentro de un rango de dos desviaciones
est´andar.
V-C. ENSAYO DE DOBLEZ DE CARA Y RA´IZ
el criterio de aceptaci´on es: Se debe examinar visualmente
la superficie convexa de la probeta de ensayo de doblado
en busca de las discontinuidades de la superficie. Para su
aceptaci´on, la superficie no debe tener discontinuidades que
excedan las siguientes dimensiones:
1/8pulg.[3mm] medidas en cualquier direcci´on sobre la
superficie.
3/8pulg.[lOmm] la suma de las dimensiones m´as
grandes de todas las discontinuidades que exce-
dan de 1/32pulg.[1mm] pero inferiores o iguales a
1/8pulg[3mm].
1/4pulg.[6mm] la grieta m´axima de esquina, excepto
cuando la grieta de esquina resulta de una inclusi´on
de escoria visible u otra discontinuidad de fusi´on, en
cuyo caso se debe aplicar el m´aximo de 1/8pulg[3mm].
Las probetas con grietas de esquina que excedan de
1/4pulg[6mm] sin evidencia de inclusiones de escoria
u otra discontinuidad de fusi´on deben descartarse y se
debe ensayar una probeta de reemplazo de la soldadura
original.
doblez de cara no se encontr´o alguna grieta lo suficiente
visible, pasa perfectamente; la controversia surge al analizar
la doblez en ra´ız. de tabla III ninguna excede 3mm, sumando
los mayores a 1mm se obtiene un total de 7,9mm, tomando
dicha tabla el ensayo el correcto, la decisi´on del evaluador
(los redactores), tras el resultado exitoso en doblez de cara
se considera satisfactoria el ensayo en doblez.
V-D. ENSAYO DE TRACCI ´ON DE SECCI ´ON REDUCIDA
el criterio de aceptaci´on para este ensayo es ”La resistencia
a la tracci´on no debe ser inferior al m´ınimo del rango de
tracci´on especificado del metal base utilizado”[1]
de acuerdo a los datos mencionados en Tabla V y VIII prime-
ro cualitativamente sin observar resultados es e satisfactorio
por que el fallo se da en el metal base, cuantitativamente
supera tambi´en por que el fallo se da con una resistencia de
rotura mayor al m´ınimo especificado para el material.
V-E. ENSAYO DE MICRODUREZA VICKERS
visualizando las tablas 12 y 13 el segundo pase, el externo
tiene mayor dureza, el primer pase posiblemente lleg´o a una
dureza similar y con la aplicaci´on del segundo pase este
sigui´o un proceso de revenido, es por ello que la dureza
baj´o.
VI. CONCLUSIONES
La evaluaci´on de la soldadura tras las pruebas de
doblez de cara y ra´ız y el ensayo de tracci´on result´o
satisfactoria.
Se observ´o una microestructura predominante ferrita en
el metal base, esto se explica porque se trata de un
acero al carbono A-36 con un muy bajo porcentaje
de carbono. En la zona de fusi´on se observ´o una
microestructura martensitica, esto se debe al temple
producido por la fusi´on y posterior solidificaci´on del
metal de aporte..
La dureza promedio registrada en la zona longitudinal
del cord´on de soldadura fue de 28,2 Rockwell C, un
valor muy superior al del metal base (alrededor de 10
RC) pero significativamente m´as bajo que el de un acero
aleado templado. Esto debido a que el porcentaje de
carbono equivalente del metal de aporte es muy bajo
en comparaci´on con el de los aceros aleados..
La dispersi´on de los datos de la dureza fue muy baja (4
por ciento), lo que indica que el cord´on de soldadura
fue aplicado de manera uniforme..
REFERENCES
[1] K. Sindo, Welding Metallurgy, New Jersey: Wiley Interscience, 2003
[2] K. Weman, Welding processes handbook, Cambridge: Woodhead
Publishing, 2003
[3] L. Jeffus, Welding: Principles and Applications, Cengage Learning,
2008
[4] American Society of Mechanical Engineers, C´odigo de calderas y
recipientes a presi´on Div 2, ASME, 2009
[5] American Petroleum Institute, Aplicaci´on de soldadura en tuber´ıas
para transporte de hidrocarburos, API, 2007
[6] AWSD1.1/D1.1M:2015 Structural Welding Code - Steel

7. AP ´ENDICE
AP ´ENDICE A - WPS

8. AP ´ENDICE B - MATERIAL BASE
a continuaci´on propiedades de material base (platina 5/8 in)

10. AP ´ENDICE C - DOBLEZ
las dimensiones para el ensayo de doblez son extra´ıdas de

11. Fig. 14. probetas de doblado de cara y de ra´ız

12. AP ´ENDICE D - TENSI ´ON
las dimensiones para el ensayo de tensi´on son extra´ıdas de
Fig. 15. probetas de tracci´on de secci´on reducida

13. los resultados del ensayo a tensi´on