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Estudio de los Efectos de la Temperatura de Precalentamiento sobre la Microestructura y Propiedades Mec�nicas de Aceros ASTM A36 y A572 GR. 50

 

Study of the Effects of Preheating temperature on the Microstructure and Mechanical Properties of Steels ASTM A36 y A572 GR. 50

 

�Estudo dos efeitos da temperatura de pr�-aquecimento na microestrutura e propriedades mec�nicas dos a�os ASTM A36 e A572 GR. cinquenta

 

Marco Homero Almendariz-Puente ^I

marco.almendariz@espoch.edu.ec

https://orcid.org/0000-0002-8743-9459

 

Ronald Patricio Vaca-Guadalupe ^II

ronald.vaca@espoch.edu.ec

https://orcid.org/0000-0001-9386-5393

 

Erika Pahola Medina-Guaman ^III

erika.medina@espoch.edu.ec

https://orcid.org/0000-0002-5585-0112

Correspondencia: marco.almendariz@espoch.edu.ec

 

Ciencias t�cnicas y aplicadas

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*Recibido: 30 de noviembre de 2020 *Aceptado: 20 de diciembre de 2020 * Publicado: 09 de enero de 2021

 

 

 

       I.            Magister en Docencia Universitaria e Investigacion Educativa, Ingeniero Mecanico, Docente de la Facultad de Mec�nica Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

    II.            Estudiante de Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

�III.            Estudiante Facultad de Mec�nica, Escuela Superior Polit�cnica de Chimborazo, Riobamba, Ecuador.

 

Resumen

El presente trabajo de investigaci�n tiene como finalidad determinar los efectos del precalentamiento en juntas de acero ASTM A36 de 6 mm y ASTM A572 Gr. 50 4 mm soldadas por proceso SMAW. Utilizando dicho procedimiento, se elaboran juntas a tope sin bisel, aplicando un precalentamiento a 115�C, 300�C y 500�C, para compararlas con juntas soldadas sin precalentamiento. Se comparan los cambios microestructurales y propiedades mec�nicas con la realizaci�n de ensayos de microdureza, tracci�n e impacto, todos ellos basados en los est�ndares de normas AWS y ASTM. Mediante el an�lisis metalogr�fico de las muestras se observa que en la ZAC, se forman microestructuras como ferrita acircular y Widmanstaten con presencia de Bainita. Posterior a esto, se realiza el ensayo de microdureza Vickers, el mismo que evidencia una disminuci�n de microdureza en el cord�n y la ZAC, a medida que la temperatura de precalentamiento aumenta. En el ensayo de tracci�n se pudo observar un ligero incremento de resistencia a la tracci�n, mientras que la resistencia al impacto Charpy disminuye considerablemente al aplicar temperaturas de precalentamiento.� Por lo que, al aplicar temperaturas de precalentamiento elevadas en placas delgadas, se observa que no hay cambios significativos en las propiedades mec�nicas.

Palabras clave: An�lisis metalogr�fico; propiedades mec�nicas; temperatura de precalentamiento; junta soldada; microestructura.

 

Abstract

The purpose of this research work is to determine the effects of preheating in steel joints ASTM A36 6 mm and ASTM A572 Gr. 50 4 mm welded by SMAW process. Using this procedure, butt joints without bevel are made, applying a preheat to 115 � C, 300 � C and 500 � C, to compare them with welded joints without preheating. Microstructural changes and mechanical properties are compared with the performance of microhardness, tensile and impact tests, all of them based on the standards of AWS and ASTM norms. Through the metallographic analysis of the samples, it is observed that in the HAZ, microstructures such as acircular ferrite and Widmanstaten are formed with the presence of Bainite. After this, the Vickers microhardness test is carried out, which shows a decrease in microhardness in the cord and the HAZ, as the preheating temperature increases. In the tensile test, a slight increase in tensile strength could be observed, while the Charpy impact resistance decreases considerably when applying preheating temperatures. Therefore, when applying high preheating temperatures to thin plates, it is observed that there are no significant changes in mechanical properties.

Keywords: Metallographic analysis; mechanical properties; preheating temperature; welded joint; microstructure.

 

Resumo

O objetivo deste trabalho de pesquisa � determinar os efeitos do pr�-aquecimento em juntas de a�o ASTM A36 6 mm e ASTM A572 Gr. 50 4 mm soldadas pelo processo SMAW. Com este procedimento, s�o feitas juntas de topo sem bisel, aplicando um pr�-aquecimento a 115 � C, 300 � C e 500 � C, para compar�-las com juntas soldadas sem pr�-aquecimento. Altera��es microestruturais e propriedades mec�nicas s�o comparadas com a realiza��o de testes de microdureza, tra��o e impacto, todos baseados nos padr�es da AWS e normas ASTM. Atrav�s da an�lise metalogr�fica das amostras, observa-se que na ZTA, microestruturas como ferrita acircular e Widmanstaten s�o formadas com a presen�a de Bainita. Em seguida, � realizado o teste de microdureza Vickers, que mostra uma diminui��o da microdureza do cord�o e da ZTA, conforme aumenta a temperatura de pr�-aquecimento. No teste de tra��o, um ligeiro aumento na resist�ncia � tra��o pode ser observado, enquanto a resist�ncia ao impacto Charpy diminui consideravelmente ao aplicar temperaturas de pr�-aquecimento. Portanto, ao aplicar altas temperaturas de pr�-aquecimento em chapas finas, observa-se que n�o h� altera��es significativas nas propriedades mec�nicas.

Palavras-chave: An�lise metalogr�fica; propriedades mec�nicas; temperatura de pr�-aquecimento; junta soldada; Microestrutura.

 

Introducci�n

Los aceros ASTM A36 y ASTM A572 GR. 50 son ampliamente utilizados en la fabricaci�n de planchas y perfiles estructurales, los cuales se usan en la construcci�n de estructuras met�licas. En la actualidad est�n siendo empleados en grandes construcciones debido a que se logra disminuir peso, en comparaci�n con edificaciones y proyectos que ocupan hormig�n (McCorman y Csernak, 2014). Por esta raz�n el trabajo pretende determinar los efectos que causa el precalentamiento en microestructuras y propiedades mec�nicas de las juntas soldadas mediante proceso SMAW en aceros estructurales, determinando si se puede realizar el precalentamiento para ayudar a disminuir defectos que en ocasiones se presentan (Zhai et al, 2019). Entre ellos, evita el agrietamiento tanto en fr�o como en caliente en el metal de la soldadura o en la zona afectada por el calor� (Howard y Scott, 2010).

En art�culos cient�ficos se investigan los efectos de los tratamientos t�rmicos en las soldaduras. En todos los estudios revisados se observa que la aplicaci�n de un tratamiento t�rmico a la soldadura no afecta de forma adversa al desempe�o de la junta, en la mayor�a de casos de estudio la aplicaci�n de un precalentamiento mejora las propiedades mec�nicas de las soldaduras (Rodr�guez, 2013). Por ello, al existir poca informaci�n de estudios, en el cual se empleen espesores menores a 10mm, se observa la necesidad de realizar la presente investigaci�n con el fin de determinar la influencia de un precalentamiento en juntas soldadas de acero ASTM A36 de 6mm y A572 de 4mm. Los espesores seleccionados se basan en estudios similares para espesores mayores, pero en la industria de la construcci�n de estructuras met�licas se emplean vigas y planchas de espesores menores a 10mm (NEC, 2014). Adem�s se escoge el proceso de soldadura por arco el�ctrico (SMAW), debido a que es el m�s utilizado en este tipo de conexiones soldadas, adem�s es de f�cil transporte y m�s accesible econ�micamente para cualquier industria o empresa en comparaci�n con otros procesos de soldadura (Niebles y Arnedo, 2009)

El calentamiento previo se lo realiza a diferentes temperaturas, para compararlas con muestras en las que no se efect�a un precalentamiento con el fin de observar los resultados mediante la aplicaci�n de las mismas. Donde, las microestructuras formadas en el metal de soldadura y en la ZAC cumplen un papel importante para el control de las propiedades mec�nicas finales de la junta (Muhaed y Sharir, 2013). La entrada de calor y la velocidad de enfriamiento tambi�n tienen influencia directa en las microestructuras resultantes en el metal de soldadura y la ZAC (Lichan, Li; et al, 2013). Con la necesidad de resolver los defectos presentes en la soldadura, es de gran importancia realizar un estudio con el cual se pueda observar los efectos de precalentamiento en juntas de diferentes aceros estructurales soldados mediante proceso SMAW, tanto en propiedades mec�nicas como en la microestructura. (Kumar y Singh, 2019)

Debido a esto, en la presente investigaci�n se compara los valores obtenidos en ensayos mec�nicos y microestructurales de juntas soldadas a diferentes temperaturas de precalentamiento, con una junta sin ning�n tratamiento previo y con estos resultados establecer ciertas recomendaciones para mejorar este tipo de procedimientos. De no hallar cambios significativos en los an�lisis de los ensayos realizados, se puede establecer una referencia donde se puede proponer el variar otro tipo de condiciones de trabajo como el amperaje de soldeo. (Sudhir y Ragender, 2019)

 

�Metodolog�a

Para el trabajo de investigaci�n se utiliza una metodolog�a experimental pues basado en los estudios preliminares relacionados al tema se realizan pruebas en laboratorio donde se determina que el dise�o de juntas soldadas es muy importante en el presente estudio, ya que a partir de las mismas se van a obtener probetas tanto para ensayos destructivos, con el fin de establecer las propiedades mec�nicas, microscopia y dureza, esto basado en los est�ndares de las normas AWS Y ASTM. Por lo tanto, se debe garantizar el adecuado proceso de soldadura para obtener juntas soldadas de buena calidad.

 

Materiales de ensayo

En� el� Ecuador, el� acero� ASTM� A36� es� uno� de� los� m�s� comunes y comerciales dentro� de� los aceros� de� tipo� estructural, utilizado� para� la� construcci�n� de estructuras,� puentes� y dem�s aplicaciones estructurales (NEC, 2014). Se encuentra bajo la norma ASTM A36, la misma se aplica en la manufactura de perfiles estructurales laminados en caliente y placas, tiene un esfuerzo de fluencia de 250 MPa (36 Ksi) y una resistencia a la tracci�n de 400 a 550 MPa (58 a 80 Ksi). (ASTM A36, 2008).

 

Tabla 1: Caracter�sticas y composici�n qu�mica del acero ASTM A36

 

El acero ASTM A572 Gr.50, es un tipo de acero estructural, es soldable y de baja aleaci�n con micro aleantes como Vanadio y Niobio, los mismos que act�an como afinadores de grano. Posee mejores propiedades mec�nicas en comparaci�n con el acero ASTM A36, gracias a estas se reduce peso y espesores en estructuras como puentes, carrocer�as, etc. (ASTM A572/A572M-07,2007)

 

Tabla 2: Caracter�sticas y composici�n qu�mica del acero ASTM A572 Gr 50

 

Selecci�n de las temperaturas de precalentamiento

Se selecciona 3 temperaturas de precalentamiento para cada uno de los aceros, la primera temperatura de 115�C es determinada por el m�todo de Seferian, que es uno de los m�todos m�s usados para calcular temperaturas de precalentamiento en soldadura, mientras que, las temperaturas de 300�C y 500�C fueron asumidas arbitrariamente para poder observar cambios significativos a nivel microestructural y en propiedades mec�nicas, al comparar con las probetas sin precalentamiento.

 

Dise�o de la junta

Para el proceso de soldadura por precalentamiento se utilizan planchas de acero estructural ASTM A572 Grado 50 de espesor 4mm y acero ASTM A36 de espesor 6mm. A partir de las cuales se elaborar�n juntas soldadas. El dise�o de juntas soldadas se lo realizar� mediante el manual de soldadura de la AWS, el mismo que especifica que para espesores menores a 6mm (1/4 in) se realizan soldadura a tope y dependiendo del espesor se hace o no un bisel (AWS D1.1, 2015).

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Figura 1: Dise�o para juntas soldadas a tope

Fuente: (AWS D1.1, 2015).

 

En la fig. 1, se observa placas de espesor 1/8 in a 1/4 in (3,1mm � 6,3 mm), no se deben realizar el bisel para soldar y la soldadura se hace por ambos lados con una separaci�n de 2mm, para las placas de 4mm y con una separaci�n de 3mm, para las placas de 6mm. Como lo recomienda el manual de soldadura.

 

Par�metros del proceso de soldadura

Es importante conocer los par�metros de soldadura, los equipos de soldadura SMAW trabajan a una corriente constante, en la soldadora empleada para la realizaci�n de placas soldadas se regula el amperaje con el que se va a soldar y este permanece constante durante el proceso. Siendo el amperaje constante cuando se genera el arco el�ctrico en el electrodo, el voltaje de circuito abierto sufre una ca�da desde el voltaje de abierto (VCA), hasta el voltaje de arco (VA).

 

Tabla 3: Especificaciones t�cnicas del proceso de soldadura

 

Ensayos metalogr�ficos

Para observar las fases que se encuentran en las diferentes zonas de soldadura, se realiza un an�lisis metalogr�fico basado en la norma ASTM-E3-11, la misma que indica el procedimiento para la preparaci�n de las muestras para su an�lisis (ASTM-E3-11, 2011)

 

Tama�o se grano

El c�lculo de tama�o de grano se realizar� mediante la norma ASTM E112 por el m�todo de Intercepci�n lineal de Heyn. Por ello, se emplean las siguientes ecuaciones (1) y (2) para el c�lculo del tama�o de grano. (ASTM E112, 2013)

N_L = Ni(L/M) ��������������������������������������������������������������������� (1)

G = (6,643856 * log(N_L)) � 3,288���� ���������������������������������� (2)

Para el conteo del n�mero de intercepciones se trazan l�neas paralelas en la micrograf�a como se muestra en la fig. 2. Al realizar el conteo de los granos se debe tener en cuenta que: si la l�nea pasa por el grano Ni� es igual a 1, si la l�nea es tangencial a un l�mite de grano o termina dentro del grano Ni es 0,5.

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Figura 2: Micrograf�a a 400X. Medici�n de tama�o de grano a 110 �m, ataque qu�mico: HNO3+ etanol (95%), fases: ferrita + perlita.

 

Ataque qu�mico

De acuerdo a la norma ASTM E407 � 07, el ataque qu�mico se lo realiz� con �cido N�trico (1-5ml HNO3) + Etanol (95%). La norma indica que la inmersi�n se debe realizar por unos pocos segundos, sin exceder el minuto; en este caso se mantuvo por 10 segundos. Este ataque qu�mico se lo realiza con el fin de diferenciar las fases presentes en las muestras (ASTM E407, 2007).

Ensayo de microdureza Vickers

El objetivo de realizar este ensayo es obtener un perfil de durezas en la junta soldada. Para esto se emple� la norma ASTM E 384, la misma que cubre la determinaci�n de la dureza de micro-identaci�n de los materiales. Se realiz� la medici�n de este tipo de durezas al tener un espesor de material de 4mm y 6mm.

Esta norma de prueba cubre las pruebas de micro-identaci�n realizadas con penetradores Knoop y Vickers bajo fuerzas de prueba en el rango de 9.8 � 10-3 a 9.8 N (1 a 1000 gf). La norma recomienda que para que el resultado sea m�s preciso las caras de las muestras deben poseer superficies planas y uniformes (ASTM E384, 2017).

El c�lculo del valor de microdureza se lo realiza mediante la ecuaci�n 3.

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Figura 3: Identador Vickers

 

El identador para medici�n de dureza Vickers, tiene forma piramidal de base cuadrada de diamante con �ngulos de cara de 136 �.

 

Ensayos de tensi�n

Previo a la obtenci�n de probetas para los diferentes ensayos se realiz� el corte de cupones de soldadura de menor tama�o para la preparaci�n de probetas y tambi�n se procedi� a enderezar las placas soldadas. Para la obtenci�n de probetas de ensayos de tracci�n se lo realiz� mediante la norma AWS B4.0, la misma que determina m�todos est�ndar para pruebas mec�nicas de soldaduras, entre ellas, el ensayo de tracci�n. Para la preparaci�n de las mismas, se observa que la parte del redondeo de las probetas se debe realizar mediante un mecanizado, por lo que estas probetas ser�n realizadas en una fresadora CNC. Los ensayos de tensi�n fueron realizados bajos los par�metros establecidos en la tabla 4 (AWS B4.0, 2016).

 

Tabla 4: Datos del ensayo de tracci�n

 

Ensayos de impacto Charpy

Las muestras ser�n obtenidas a partir de la norma ASTM E 23. Cabe recalcar que no se usar� la norma AWS B4.0 que detalla el proceso para ensayos de juntas soldadas ya que los espesores de las placas de pruebas son de 4mm y 6mm y en esta norma �nicamente encontramos para un espesor de 10mm, por lo tanto se busc� una norma para espesores menores. Los ensayos de impacto fueron realizados bajos los par�metros establecidos en la tabla 5 (ASTM E23, 2011).

 

Tabla 5: Datos de ensayo de Impacto

 

Resultados y discusi�n

Los datos obtenidos de los ensayos metalogr�ficos y ensayos mec�nicos, se los analiza detalladamente para el acero ASTM A36 y A572 Gr.50, con esto se realiza una comparaci�n objetiva de los efectos de la temperatura de precalentamiento, en funci�n a las probetas que no ten�an tratamiento previo.

 

Metalograf�as

Las micrograf�as tomadas en el cord�n y en la ZAC son de fundamental importancia ya sirven para verificar los cambios que se generan en la microestructura al realizar o no un precalentamiento en el proceso de soldadura por arco el�ctrico. Para ello las metalograf�as del cord�n de soldadura fueron tomadas en el centro del cord�n y para la ZAC a una distancia de 1mm desde el l�mite de fusi�n, esto para todas las muestras analizadas.

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Figura 4: Micrograf�a a 100X del cord�n de soldadura del acero ASTM A36. a) Junta sin precalentamiento. b) Junta con precalentamiento de 115�C. c) Junta con precalentamiento de 300�C. d) Junta con precalentamiento de 500�C.

 

En la zona del cord�n de soldadura se observa una microestructura ferr�tica (zonas claras), tambi�n se encuentran zonas con presencia de perlita (zonas oscuras). En la junta soldada sin precalentamiento y con precalentamiento de 115�C, se observa mayor presencia de zonas con perl�ticas al comparar las microestructuras a temperaturas de 300�C y 500�C, donde estas se ven reducidas considerablemente. Adem�s, en la junta soldada con precalentamiento de 300�C se observa la presencia de inclusiones, que son propias del material debido a su proceso de manufactura.

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Figura 5: Micrograf�a a 100X de la ZAC del acero ASTM A36. a) Junta sin precalentamiento. b) Junta con precalentamiento de 115�C. c) Junta con precalentamiento de 300�C. d) Junta con precalentamiento de 500�C.

 

En la zona afectada por el calor ZAC de la junta sin precalentamiento que es la m�s cercana a la l�nea de fusi�n, se puede determinar que en la junta sin precalentamiento la microestructura es de tipo ferrita Widmanstaten y zonas con ferrita acicular y la presencia de ferrita en los l�mites de grano. Adicionalmente se observa la presencia de Bainita en varias zonas de la micrograf�a. Se observa que en las juntas soldadas sin precalentamiento y a 115�C, no se encuentra presencia de Martensita, que es com�n en las juntas soldadas. Sin embargo, se nota la presencia de peque�as zonas con perlita. En la junta precalentada a 300�C, se id�ntica la presencia de ferrita, Bainita y perlita. Con la temperatura de precalentamiento de 500�C, se obtiene una microestructura compuesta por ferrita perl�tica pero en este caso desaparece la Bainita encontrada en las anteriores micrograf�as aunque se puede notar zonas peque�as marcadas de ferrita Widmanstaten pero ya muy reducidas.

Para el acero ASTM A572 Gr. 50, se realiza el an�lisis mediante las micrograf�as de la fig. 6 y 7, tomadas en el cord�n de soldadura y en la ZAC.

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Figura 6: Micrograf�a a 100X del cord�n de soldadura del acero ASTM A572 Gr. 50. a) Junta sin precalentamiento. b) Junta con precalentamiento de 115�C. c) Junta con precalentamiento de 300�C. d) Junta con precalentamiento de 500�C.

 

En la zona del cord�n de soldadura se observa una microestructura ferr�tica (zonas claras) tambi�n se encuentran zonas con presencia de perlita (zonas oscuras). En la junta soldada sin precalentamiento y con precalentamiento de 500�C se observa la presencia de inclusiones.

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Figura 7: Micrograf�a a 100X de la ZAC del acero ASTM A572 Gr. 50. a) Junta sin precalentamiento. b) Junta con precalentamiento de 115�C. c) Junta con precalentamiento de 300�C. d) Junta con precalentamiento de 500�C.

En la zona afectada por el calor (ZAC), que se encuentra cerca de la zona de fusi�n del metal base con el material de aporte se ve afectada por las altas temperaturas. En esta zona se identifica en la junta soldada sin precalentamiento la formaci�n de ferrita alotriom�rfica en los l�mites de grano y la presencia de Bainita en zonas muy marcadas. Adicionalmente se evidencia la presencia de ferrita Widmanstaten. En la junta soldada a 115 �C, se identifica la presencia de ferrita acicular en gran parte de la micrograf�a, tambi�n se observa la presencia de perlita. Adicionalmente, se observa la presencia de Bainita y la presencia de placas de ferrita en los l�mites de grano.

En la junta soldada a 300 �C, se observa ferrita acicular en dos zonas. Adem�s, la micrograf�a est� compuesta de placas laterales de ferrita y ferrita en los l�mites de grano, tambi�n se identifica la presencia de Bainita, pero en menor cantidad en relaci�n a las micrograf�as anteriores.

En la junta soldada a 500 �C, se nota la presencia de ferrita en forma de placas laterales, no se determina la presencia de Bainita. En esta microestructura el grano ferr�tico es m�s equiaxial en comparaci�n con la junta soldada a 300 �C, adicionalmente se observa la presencia de zonas con m�s perlita. Microestructuras como la ferrita acicular y Widmanstaten son propias de estas zonas en soldaduras de aceros al carbono.

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Calculo del tama�o de grano en cada zona de las juntas

En las tablas 6 y 7 se observa los tama�os de grano del acero ASTM A36, principalmente en la ZAC que, a medida que la temperatura de precalentamiento aumenta el tama�o de grano ASTM lo hace de igual forma, el mismo que se da por las m�ltiples pasadas que experimenta la junta soldada sobre los cordones de soldadura y la ZAC haciendo las veces de normalizado y recristalizado del metal, lo que hace que el grano se refine.

 

Tabla 6: Comparaci�n entre tama�o de grano de juntas soldadas ASTM A36

 

De acuerdo a los tama�os de grano obtenidos en el cord�n de soldadura se puede determinar que la variaci�n del mismo es m�nima por lo que se espera que no influya directamente en cuanto a propiedades mec�nicas de la junta, ya que de acuerdo a las micrograf�as de las fig. 6 y 7, se observa un tipo de grano ferrito perl�tico equiaxial. Adem�s en el metal base podemos ver que los tama�os de grano se mantiene, esto debido a que las temperaturas de precalentamiento no son lo suficientemente altas para hacer que se produzca un refinamiento de grano o lograr que estos var�en.

 

Tabla 7: Comparaci�n entre tama�o de grano de juntas soldadas ASTM A572 Gr.52

 

Al comparar los tama�os de grano de ambos aceros se observa que la zona mayormente afectada es la ZAC, esto debido a las temperaturas pico que alcanza la misma al momento de ejecutar las pasadas de los cordones de soldadura, actuando sobre el metal como una especie de tratamiento t�rmico con lo que a nivel de su microestructura hace que esta se vea muy afectada como se observ� en la fig. 6 y 7.

 

Ensayo de microdureza

En esta investigaci�n se realiza una comparaci�n de durezas medidas a una misma distancia de identaci�n entre las diferentes juntas soldadas. En el fig. 8, se observa la comparaci�n de las microdurezas para el acero ASTM A36. Se visualiza que a medida que la temperatura de precalentamiento aumenta la microdureza disminuye.

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Figura 8: Perfil de durezas Acero ASTM A36.

 

En el centro del cord�n de soldadura, la microdureza de la junta sin precalentamiento es de 170 HV, en comparaci�n con la microdureza de la junta precalentamiento a 115�C que es de 161 HV; con una disminuci�n de 5,3%.� Realizando una comparaci�n de microdurezas de la junta sin precalentamiento y la soldada con precalentamiento de 300�C (151 HV) esta baja en 11,2%. Mientras que para la junta precalentada a 500�C (141 HV) se observa que la microdureza baja en un 17,1% en relaci�n a la junta sin precalentamiento. Con esto se puede decir que la junta soldada sin precalentamiento tiene m�s probabilidad de sufrir una fisuraci�n en fr�o, en relaci�n a las juntas soldadas con precalentamiento. Las mediciones de microdureza tomadas a 4mm (zona del cord�n de soldadura), se logra observar un comportamiento similar a las mediciones tomadas en el centro del cord�n.

En la zona pr�xima a la ZAC (identaci�n a 8mm del cord�n) se observa aumento en la microdureza a medida que se aproxima al cord�n de soldadura en todas las probetas; los mayores valores de microdureza los registra la probeta sin precalentamiento, esto debido a su mayor sensibilidad al efecto t�rmico del proceso de soldadura causado por una menor entrada de calor con mayores velocidades de enfriamiento, lo cual deriva en la formaci�n de� microestructuras m�s duras como los listones de Bainita, que se observaron con m�s presencia en esta junta.� Las microdurezas medidas a 12mm del cord�n de soldadura sufren una disminuci�n, esto debido a que se encuentra muy cerca del metal base que no se afect� t�rmicamente por el proceso de soldeo. La microdureza medida a una distancia de 16mm que es la zona del metal base se observa que en todas las probetas (135-133 HV) a excepci�n de la probeta a temperatura de precalentamiento de 500�C (125 HV), la microdureza se mantiene relativamente uniforme, esto debido a que no se observ� cambios a nivel microestructural de esta zona.

En la fig. 9, se realiza una comparaci�n de las microdurezas de las juntas soldadas de acero ASTM A572 Gr. 50. Al igual que el acero ASTM A36, en estas juntas la microdureza disminuye si se aplica un precalentamiento. Al medir la microdureza en el cord�n de soldadura, la junta sin precalentamiento posee una microdureza de 202 HV, en comparaci�n con la microdureza de la junta precalentamiento a 115�C que es de 196 HV; se observa una disminuci�n de 3% que es un porcentaje relativamente bajo.� Al comparar con la microdureza obtenida en la junta de 300�C (179 HV), esta baja en 11,4% con relaci�n a la obtenida sin precalentamiento (202 HV).� Mientras que para la junta precalentada a 500�C (167 HV) se observa que la misma baja en un 17,3% en relaci�n a la junta sin precalentamiento. Se observa que en la junta soldada sin precalentamiento tiene m�s probabilidad de sufrir un agrietamiento en fr�o, que en relaci�n a las juntas soldadas con precalentamiento.

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Figura 9: Perfil de durezas Acero ASTM A572 Gr. 50

 

En la zona pr�xima a la ZAC, se observa aumento en la microdureza a medida que se aproxima al cord�n de soldadura en todas las probetas; los mayores valores de microdureza HV los registra la probeta sin precalentamiento, las microdurezas medidas en la ZAC de las juntas soldadas con precalentamiento son menores, esto debido al efecto del ciclo t�rmico provocado por cada proceso de soldadura causado por una entrada de calor mayor con velocidades de enfriamiento m�s lentas, por lo que a nivel microestructural� se observa una disminuci�n de listones de Bainita. La junta precalentada a 500�C (139 HV) tiene un 18,2% menos microdureza que la junta sin precalentamiento (170 HV). La dureza medida a una distancia de 12mm y 16mm, que es una zona muy pr�xima al metal base no se observa grandes variaciones de microdureza debido a que no se afecta por las altas temperaturas.

 

Ensayo de tensi�n

Los resultados obtenidos en el ensayo de tensi�n para las juntas de acero ASTM A572 Gr.50 se observan en la fig. 10, donde se puede determinar que la junta soldada ETM 04, posee mayor resistencia a la tracci�n (487,14 MPa), con relaci�n con otras muestras. Realizando una comparaci�n con la muestra ETM 01 (465,641 MPa), la resistencia a la tensi�n aumenta en un 4,6% y al comparar con la probeta ETM 03 (481,34 MPa) esta propiedad aumenta en un 3,4%. Mientras que la resistencia a la tracci�n de la muestra ETM 02 (439,94 MPa) disminuye en relaci�n a la muestra ETM 01 (465,641 MPa) en un porcentaje de (5,5%).

Se observa que mientras la temperatura de precalentamiento aumenta tambi�n lo hace la resistencia a la tracci�n en todas las muestras, a excepci�n de la probeta ETM 02 que esta propiedad se ve disminuida, por ello, para poder realizar una evaluaci�n de este incremento de la resistencia a la tracci�n a medida que se eleva la temperatura de precalentamiento en las juntas soldadas se realiza una comparaci�n entre el tama�o de grano, temperatura de precalentamiento y resistencia a la tracci�n.

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Figura 10: Tama�o de grano ASTM - Resistencia a la Tracci�n acero ASTM A572 Gr.50: (ETM 01) Sin precalentamiento, (ETM 02) 115 �C, (ETM 03) 300 �C, (ETM 04) 500 �C

 

Se debe mencionar que la rotura ocurri� en el l�mite de fusi�n es decir en la zona de grano grueso de la zona afectada por el calor (ZAC), entonces se puede esperar un incremento de la resistencia mec�nica al elevar la temperatura de precalentamiento, debido a que el tama�o de grano se reduce, por lo que a medida que la temperatura incrementa la resistencia mec�nica aumenta. Entonces tama�os de grano m�s grandes tienen menor resistencia mec�nica y a medida que incrementa la temperatura se obtiene un grano m�s fino por lo que la resistencia mec�nica aumenta. En la probeta ETM 02 se observa una disminuci�n de la resistencia a la tracci�n, as� como tambi�n disminuye el tama�o de grano ASTM; lo que representa un tama�o de grano m�s grueso, esto influye directamente en una disminuci�n de resistencia mec�nica.

Al observar el fig. 11, se determina que mientras la temperatura de precalentamiento aumenta la resistencia a la tracci�n tambi�n aumenta. Al realizar una comparaci�n de esta propiedad de la muestra ETM 05 (429,73 MPa) con la muestra ETM 06 (431,898 MPa), se observa que esta aumenta en un 0,5 %.� De igual forma al realizar la comparaci�n con la probeta ETM 07 (442,334 MPa) la resistencia a la tracci�n aumenta en un 3% y al comparar con la muestra ETM 05 (429,73 MPa) la resistencia a la tracci�n aumenta en un 3,75%. Al igual que en el caso de las juntas soldadas de acero ASTM A572 Gr.50, se realiza una evaluaci�n de este incremento de la resistencia a la tracci�n a medida que se eleva la temperatura de precalentamiento en las juntas soldadas con una comparaci�n entre el tama�o de grano, temperatura de precalentamiento y resistencia a la tracci�n.

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Figura 11: Tama�o de grano ASTM vs Resistencia a la Tracci�n acero ASTM A36: (ETM 05) Sin precalentamiento, (ETM 06) 115 �C, (ETM 07) 300 �C, (ETM 08) 500 �C

 

Ya que la rotura ocurre en la zona afectada por el calor (ZAC), entonces se puede esperar un incremento de la resistencia mec�nica al elevar la temperatura de precalentamiento, debido a que el tama�o de grano se reduce, por lo que a medida que la temperatura incrementa la resistencia mec�nica aumenta. Lo que da como resultado que tama�os de grano m�s grandes tiene menor resistencia mec�nica y a medida que incrementa la temperatura se obtiene un grano m�s fino por lo que la resistencia mec�nica aumenta. Un tama�o de grano ASTM mayor; lo que representa un tama�o de grano m�s fino influye directamente en un incremento de la resistencia mec�nica.

Ensayo de impacto

Con los resultados obtenidos en el ensayo Charpy se logr� comparar la tenacidad de cada junta soldada. Los valores de resistencia al impacto y energ�a absorbida se muestran en la fig. 12 y 13.

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Figura 12: Resistencia al impacto para el acero ASTM A572 Gr.50: (EIM 01) Sin precalentamiento, (EIM 02) 115 �C, (EIM 03) 300 �C, (EIM 04) 500 �C

 

Al observar la fig. 12, se puede determinar que la junta soldada con mayor resistencia al impacto por ende la mayor energ�a absorbida, es la muestra EIM 01 con valor de 94,09 J/cm2, la probeta EIM 02, que corresponde a un precalentamiento de 115�C, se observa una disminuci�n en la tenacidad obteni�ndose un valor de 87,47 J/cm2, esta disminuci�n es representa el 7%. Mientras que al realizar una comparaci�n entre las muestras EIM 01 (94,09 J/cm2) y EIM 03 (74,37 J/cm2)� se observa una disminuci�n de 20% y finalmente estableciendo una comparaci�n con la muestra EIM 04 (67,99 J/cm2) se determina que la resistencia al impacto decrece en un porcentaje de 27, 7%.

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Figura 13: Resistencia al impacto para el acero ASTM A36: (EIM 05) Sin precalentamiento, (EIM 06) 115 �C, (EIM 07) 300 �C, (EIM 08) 500 �C

 

En la fig. 13, se compara los resultados de los valores promedio obtenidos para las diferentes muestras ensayadas y se determina que la junta que m�s energ�a absorbe por ende tiene mayor resistencia al impacto, es la junta EIM 05 (99,85 J/cm2) que corresponde a la junta soldada sin precalentamiento. Al realizar una comparaci�n con la probeta obtenida de la junta soldada con precalentamiento de 115�C que corresponde a la muestra EIM 06 (91,4 J/cm2), la resistencia al impacto disminuye en un 8,5%. Mientras que al realizar una comparaci�n con la muestra EIM 07 (54,25 J/cm2) se determina una reducci�n del 45,7 % en relaci�n a la probeta EIM 01. Finalmente, al comparar la muestra EIM 08 (55,97 J/cm2) con la muestra EIM 05 se observa una disminuci�n de 43,9%. La probeta EIM 08 y EIM 07 poseen valores muy parecidos de resistencia al impacto.

Como se observ� en las micrograf�as tanto para el acero ASTM A36 y ASTM A572 Gr.50, al tener estructuras principalmente ferrito perl�ticas, es la morfolog�a de grano ferr�tico lo que produce una reducci�n de la resistencia al impacto, debido a que a medida que incrementamos la temperatura empieza a aparecer ferrita en forma en forma de placas, las misma que pueden producir un deslizamiento entre placas muy� f�cil al momento de la prueba de impacto, entonces al existir un f�cil recorrimiento entre placas debido a que presenta superficies de corrimiento f�cil se da una reducci�n de la resistencia al impacto. Ya que si se tiene un grano m�s equiaxial es muy dif�cil el movimiento entre granos por la morfolog�a del mismo y cuando se presenta ferrita en forma placas estas placas exhiben muy poca resistencia al impacto.

 

Conclusiones

En el presente estudio se investig� la influencia de la aplicaci�n de temperaturas de precalentamiento tanto en las propiedades mec�nicas y microestructurales en juntas soldadas de acero ASTM A36 y ASTM 572 Gr.50. Basado en el an�lisis de los resultados se obtienen las siguientes conclusiones:

�El precalentamiento y la composici�n qu�mica de cada acero, influyen en la formaci�n de microestructuras finales de cada tipo de junta y por ello se nota principalmente la presencia de ferrita y en poca cantidad perlita.

En la zona afectada por el calor (ZAC) de las juntas soldadas de acero ASTM A36, se determina microestructura de tipo ferrita Widmanstaten, zonas con ferrita acicular y la presencia de ferrita en los l�mites de grano y a medida que la temperatura de precalentamiento aumenta se observa que la presencia de Bainita va disminuyendo y que se forma placas laterales de ferrita.

En la ZAC de las muestras de acero ASTM A572 Gr.50 se observa microestructuras de tipo ferrita acicular y Widmanstaten y la formaci�n de ferrita en los l�mites de grano adem�s la cantidad de Bainita presente en las micrograf�as disminuye hasta desaparecer completamente en las juntas soldadas a 500�C, donde se observa �nicamente la presencia de ferrita en forma de placas.

Mediante ensayos de microdureza realizados a las juntas soldadas de acero ASTM A36 como para acero ASTM A572, se confirma que al aumentar la temperatura de precalentamiento los valores de microdureza disminuyen.

En las juntas de acero ASTM A36 y ASTM A572 Gr.50 un incremento de la resistencia mec�nica al elevar la temperatura de precalentamiento, debido a que el tama�o de grano se reduce, por lo que a medida que la temperatura incrementa la resistencia mec�nica aumenta.

�Para las micrograf�as del acero ASTM A36 y ASTM A572 Gr.50, al tener morfolog�as de grano ferr�tico se da una reducci�n de la resistencia al impacto, a medida que se incrementa la temperatura empieza a aparecer ferrita en forma de placas, las mismas que pueden producir un deslizamiento entre placas muy f�cil al momento de la prueba de impacto, entonces al existir un f�cil recorrimiento entre placas debido a que presenta superficies de corrimiento f�cil se da una reducci�n de la resistencia al impacto.

 

Notacion

S�mbolos

AC = corriente alterna en tabla 3

NL = n�mero de intercepciones por unidad de longitud

Ni = n�mero de intercepciones

L = longitud de las l�neas

M = aumento de la micrograf�a

G = tama�o de grano ASTM.

HV = dureza Vickers

Abreviaciones

ASTM = Asociaci�n Americana de Ensayo de Materiales

SMAW = Soldadura por Arco Met�lico Protegido

ZAC = Zona Afectada por Calor

AWS = Sociedad Americana de Soldadura

CNC = Control Num�rico por Computadora

ETM = Ensayo de Tracci�n Mec�nico

EIM = Ensayo de Impacto Mec�nico

 

Referencias

1.             AWS D1 .1/D1.1M:2010.� Codigo de Soldadura estructural- acero.(2010).

2.             ASTM A36/A36M-08. Especificaci�n Normalizada para Acero al Carbono Estructural. (2008).

3.             ASTM A572/A572M-07. : Especificaci�n Normalizada para Acero Estructural de Alta Resistencia de Baja Aleaci�n de Columbio-Vanadio. (2007).

4.             ASTM E 3-11. 2017. Standar Practice for Preparation of Metallographic Specimens. (2017).

5.             ASTM E112. 2013. Standard Test Methods for Determining Average Grain Size.(2013).

6.             ASTM E23. 2011. Standard Test Methods for Notched Bar Impact Testing of Metallic Materials. (2011).

7.             ASTM E384. 2017. Standar Test Method for Knoop and Vickers hardness of materials. (2017).

8.             AWS A5.1. 2004. Specificartion for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. (2004).

9.             AWS B1.10M/B1.10:2016. 2016. Guide for the Nondestructive Examination of Welds. (2016).

10.         AWS B4.0. 2016. Standard Methods for Mechanical Testing of Welds. (2016).

11.         AWS D1.1/D1.1M:2015. Anexo H. Guideline on Alternative Methods for Determining Preheat. (2015).

12.         Howard , B & Scott C. Modern Welding Technology. 4a ed. M�xico DF � Mexico: Prentice-Hall. ISBN 0-13-599283-4, (2010).

13.         Kumar, S., & Singh, R. Optimization of Process Parameters of Metal Inert Gas Welding with Preheating on AISI 1018 Mild Steel using grey based Taguchi Method, doi:10.1016/j.measurement.2019.106924, Measurement, 106924, (2019).

14.         Lichan, Li; et al. �Effect of Welding Heat Input on Grain Size and Microstructure of 316L Stainless Steel Welded Joint�. Trans Tech Publications, Applied Mechanics and Materials..� doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.331.578, 64-67 (2013)

15.         Martinez , M; et al. �Influencia del tama�o del grano en las propiedades mec�nicas de los aceros�. Revista de Metalurgia. ISSN-L 0034-8570. doi.org/10.3989/revmetalm.2005.v41.iExtra.1000� (2015).

16.         McCorman, J & Csernak S. Dise�o de Estructuras de Acero. 5� ed. M�xico: Alfaomega, ISBN: 978 607 707 559 2, (2013).

17.         Muhaed, J & Shakir, G. �Study the effect of head treatments on spring -back in U-bending process�. International Journal of Metallurgical Materials and Engineering, (2013).

18.         NEC. NORMA ECUATORIANA DE LA CONSTRUCCI�N. Estructuras de Acero. (2014).

19.         Niebles , E & Arnedo , W.� Procedimientos de Soldadura y Calificaci�n de Soldadores: una Propuesta de Ense�anza y Gu�a de Aplicaci�n para la Industria.� SCielo, doi:10.1612/inf.tecnol.4064it.08, 24-26 , (2009),

20.         Rodriguez, P. Metalurgia de la Soldadura. La Habana- Cuba: Universitaria, ISBN 978-959-16-2101-6, 71-7, (2013).

21.         Sudhir, K y Ragender S. Investigation of tensile properties of shielded metal arc weldments of AISI 1018 mild steel with preheating process, doi:org/10.1016/j.matpr.2019.10.167, Materials today: Proceeding, 26 (2), 209-222 (2019).

22.         Zhai, Y., Huang, B., Zhang, Z., Mao, X., y Zhao, Z., Effect of preheating on welding cold crack sensitivity of China low activation martensitic steel, doi:10.1016/j.fusengdes.2018.05.071, Fusion Engineering and Design, 133, 32�38.� (2018).

 

 

 

 

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