Caracterización del Aluminio 5083 H116 soldado con el Proceso GMAW Pulsado

Transcripción

1 Crterizión el Aluminio 5083 H116 solo on el Proeso GMAW Pulso Alfreo Morles 1*, Roert Muñoz 2*, Alfonso Ptrroyo 3*, Fernno Rojs 4*, Din Argón 5 1 Ingeniero Metlúrgio, Estuinte e Dotoro en Ingenierí Cieni y Tenologí e Mteriles Universi Nionl e Colomi. Gestor el Deprtmento e Investigión, Desrrollo e Innovión COTECMAR. Bogotá, D.C. - Colomi. * morles@otemr.om 2 Estuinte e Ingenierí Meáni Universi Nionl e Colomi. Bogotá, D.C. - Colomi. * rmunoz@unl.eu.o 3 Ingeniero Metlúrgio, Asesor el Centro e Mteriles y Ensyos SENA Regionl Bogotá. Bogotá, D.C. Colomi. * ptrroyo@misen.eu.o 4 Ingeniero Metlúrgio, Estuinte e Dotoro en Ingenierí Cieni y Tenologí e Mteriles Universi Nionl e Colomi. Doente Investigor Universi Lire e Colomi. Bogotá, D.C. - Colomi. * hetorf.rojsm@unilireog.eu.o 5 Ingenier e Sistems. Gerente Ingenieros A&R Consultores SAS. Bogotá, D.C. - Colomi. Feh e reepión el rtíulo: 08/08/2012 Feh e eptión el rtíulo: 30/08/2012 Resumen Est investigión se funmentó en el nálisis e l solili e ls uniones e luminio 5083 H116 on mteril e porte ER 5183, según lsifiión e l AWS 5.10, meinte el proeso GMAW PULSADO, on el ojeto e eterminr ls oniiones e l zon fet por el lor ZAC en el mteril se, epenieno el lor introuio on iferentes equipos isponiles en Colomi. Ls vriles onsiers entro el presente estuio fueron: posiiones e solur (horizontl), tipo e uniones (tope y filete), prámetros e los equipos (voltje, mperje, veloi e limentión el porte, veloi vne), y gs e proteión (Argón, Ar, 100%). Se utilizron ténis e ensyos no estrutivos y estrutivos pr l rterizión e ls isontinuies enontrs, sí omo los riterios e eptión el óigo AWS D1.2 (STRUCTURAL WELDING CODE - ALUMINUM) el AWS (AMERICAN WELDING SOCIETY). Como prouto e l investigión se otuvieron ls oniiones pr l pliión el mteril ER 5183, sore l leión e luminio 5083 H116 omo mteril se soportos por los oumentos ténios omo el WPS (WELDING PROCEDURE SPECIFICATIONS) y PQR (Proeure Qulifition Reor), que sustentn l solur e luminio sin prelentmiento, pr su implementión en el stillero e COTECMAR. Plrs lve Solili, GMAW Pulso, ZAC, Disontinuies, Aluminio 5083 H116. Astrt This reserh ws se on the nlysis of the welility of luminum joints 5083 H116, with filler AWS 5.10 ER 5183 y GMAW PULSED proess to etermine the onitions of the het-ffete zone in the se mteril, epening on the het input for the proess with ifferent tehnologies ville in Colomi. The vriles onsiere within this stuy were: weling positions (horizontl), type of wele joints (utt n fillet), n prmeters for weling equipment (voltge, urrent, spee, power supply, spee evelopment), n protetive gs use (Argon, 100%). Non-estrutive n estrutive testing tehniques were use to hrterize the isontinuities foun n the riteri to ept the AWS D1.2 oe (STRUCTURAL WELDING CODE-ALUMINUM y the AMERICAN WELDING SOCIETY). As result, the investigtion yiele the onitions for the pplition of filler mteril (ER 5183) on se mteril (5083 H116), supporte 14

2 y Weling Proeure Speifitions Douments (WPS) n Proeure Qulifition Reor (PQR) to implement in luminum weling t the COTECMAR shipyr. Keywors Welility, GMAW Pulse, HAZ, Disontinuities, Aluminum 5083 H116 Introuión Según Tres, l zon fet por el lor (ZAC), es l seión en el mteril se en el que ls propiees meánis son fets por el ro urnte el proeso e soleo en ulquier mteril metálio [1]. Depenieno e l nti e lor e entr, l mgnitu e l ZAC umentrá o isminuirá onforme l tempertur en el mteril se, se myor o menor [2]. En ls leiones e luminio, ls propiees meánis son serimente isminuis por el efeto el lor introuio por el proeso e solur; es más rítio pr ls leiones e l serie 5083, que son leiones no trtles térmimente y omúnmente uss en l inustri mrítim, y uys propiees meánis son triuis su elemento e leión prinipl, el mgnesio, y los esfuerzos resiules generos por un enureimiento o por trjo en frio [3]. L oumentión el proeso e solur por ro metálio on proteión gseos (GMAW), on trnsfereni meinte spry pulso, es ess pr este tipo e leiones en pliiones on luminios nvles [4]. L generión e poros y isontinuies se puee triuir l utilizión e ls mezls gseoss, l flt e personl ténio lifio omo solor en este tipo e mteriles y l no tulizión e ls norms e ompetenis lorles pr pliiones on l tenologí e GMAW - Pulso. El luminio es un mteril on exelente propie meáni y resistente l orrosión. Con su implementión en l inustri nvl, hy isminuión en el onsumo e omustile y l inversión en mntenimiento e ls emriones [5]. El proeso e solur por ro metálio on proteión gseos (GMAW), es un proeso semiutomátio o utomátio, one un ro elétrio es mntenio entre un lmre solio que funion omo eletroo ontinuo y l piez e trjo [6]. Este proeso tiene iferentes moos e trnsfereni e ms, orto iruito, gloulr y spry [7]. Los equipos e solur e últim generión enfon sus tenologís en el moo e trnsfereni e spry pulso, on ventjs en l pliión en tos ls posiiones e soleo, sin slpiur. L inustri e l onstruión nvl olomin. viene hieno uso e mteriles e lt resisteni, omo ls leiones e luminio - mgnesio (5083 H116), sol on mteril e porte ER 5183 AWS 5.10 y gs e proteión (Argón, Ar, 100%). que umplen on los requisitos e resisteni l trión omo se espeifin en los óigos [5]. Ls esigniones e los luminios y e sus leiones se sn en l li e proutos forjos o proutos funios (moleos) [8]. L omposiión quími e ls leiones e luminio ee stisfer los requisitos pr l onstruión e sos y estrutur mrins e Si 0,4%, Fe 0,4%, Cu o,1%, Mn 0,4-1,0%, Mg 4,0-4,9%, Cr 0,05-0,25%, Zn 0,25%, Ti 0,15%, otros elementos 0,05% y l se en Al. En unto ls propiees meánis, ests leiones een umplir on: un esfuerzo e flueni e 215 N/ mm 2, un esfuerzo e tensión e 305 N/mm 2 y un elongión el 10% pr espesores entre 3 y 50 mm. [9]. Pr solr leiones e luminio, se reomien que ls junts sen pls e leión 5083 H116 e 6,7mm e espesor [10]. Los onsumiles pr solr ests leiones e luminio tienen propiees meánis en funión el esfuerzo ortnte e 18,5 KSI (128MP), longituinlmente y trnsverslmente e 28,0 KSI (193 MP) [11]. Ls vriles eseniles el proeso GMAW son: orriente e solur, tensión e ro, longitu lire el eletroo (Stik-out), polri, veloi e vne, iámetro el eletroo, orientión el eletroo y gses e proteión que pueen ser 100% Ar, 35% Ar-65% He y 25% Ar-75% He [12]. Ls ventjs más importntes pr el proeso 15

3 GMAW por l téni Spry Pulso son: permite l pliión en tos posiiones sin slpiur, se utiliz en espesores que vn ese 3mm 50mm; l tenologí es versátil y progrmle y se puee solr on mteriles e portión myores 0,9mm. Un e sus esventjs es el lto osto iniil el equipo [13]. L solur ER 5183 es e muy uen fluiez, jo punto e fusión (punto eutetoie) y mplimente utiliz en l inustri stiller. Ls rterístis el lmre son similres ls el mteril se on un esfuerzo e flueni e 140 MP y esfuerzo e tensión e 300 MP y un elongión el 20%, on puntos e fusión que vn e C [14]. En los proeimientos e solur por ro on proteión gseos, el gs protetor puee tener un grn influeni sore ls propiees el metl eposito [15]. Ls uniones sols e luminio hn sio mplimente estuis ese he ños y muhos investigores se hn eio l estuio el fenómeno metlúrgio el ño funio [16]; lgunos netmente l orón e solur [17], otros hn rterizo ls propiees meánis [18]. No ostnte, son poos los trjos reltivos l evoluión e l zon fet por el Clor ZAC [19] y espeífimente pr este tipo e leiones [20]. Tmién hy otros investigores que se hn eio l nálisis e l evoluión e l energí y l tempertur e isoluión e los Gses e Proteión, en funión el espesor el mteril se [21]. Metoologí En primer instni, se onsieró un experimento e tipo omprtivo que impli estleer el onjunto e irunstnis [22] propis el proeso e solur, tles omo: tipo e gses, número e upones, número e proets, iseño e junt y mteril se. Por ene, l metoologí llev o urnte l investigión, onsistió en l úsque y seleión e fuentes e limentión pr soleo on GMAW PULSADO, otenión e ls proets pr l rterizión quími y meáni el mteril se, iseño e ls junts ore l óigo AWS D1.2, oifiión e ls junts y equipos según vriles seleions, elorión e l mtriz e oifiión, proeso e segurmiento e l trzili e los mteriles, preprión y menizo ls junts, soleo e ls junts, otenión e upones e prue, verifiión e ls isontinuies en los upones por meio e ls ténis END inspeión visul y líquios penetrntes, eterminión el número e proets otener por upón solo según óigo AWS D1.2, mrión e los upones pr otenión e proets, orte e los upones, preprión y menizo e proets, relizión e ensyos meánios, otenión y nálisis e resultos. Resultos El nálisis espetrométrio relizo l mteril se en el lortorio, generó resultos similres los referenios por l IACS-W25; se presentó un isminuión en el ontenio Mg y el Cr no puo ser registro por el equipo (ver Tl 1). Tl 1. Resultos e l Composiión Quími. Composiión quími e lortorio Elemento % peso Si 0,556 Fe 0,283 Cu 0,0312 Mn 0,5322 Mg C,001 Cr --- Zn 0,001 Ti 0,0138 Al 99,077 Otros elementos 0,0037 Fuente: Lortorio e Espetrometrí - Centro e Mteriles y Ensyos, SENA. Los resultos e ls propiees meánis el mteril e porte se muestrn en l Tls 2 y 3 y en los Gráfios 2 y 3 pr ls tenologís Y y Z respetivmente; los vlores otenios fueron myores los esfuerzos estleios por l IACS-W25. 16

4 Tl 2. Crterístis meánis el mteril e porte utilizo on l tenologí y pr l junt sol tope Crterístis meánis Esfuerzo e flueni (MP) 213,745 Esfuerzo e rotur (MP) 303,38 Pr los iseños e junts tope y en filete se trjó ore on los prámetros estleios en los Digrms 1 y 2; esto permitió l generión e un mtriz e oifiión (ver Tl 4), según el tipo e junts, ls posiiones e soleo e uero on ls tenologís utilizs (Y, Z). Digrm 1. Diseño e l Junt Tope. Gráfio 2. Curv esfuerzo e formión el mteril e porte utilizo on l tenologí Y pr l junt sol tope. Fuente: Lortorio e Mteriles, Universi Los Liertores. Digrm 2. Diseño e l Junt en Filete. Fuente: [23]. Tl 3. Crterístis meánis el mteril e porte utilizo on l tenologí Z pr l junt sol tope. Crterístis meánis Esfuerzo e flueni (MP) 166,85 Esfuerzo e rotur (MP) 243,815 Los riterios e eptión y rehzo plios en ls ténis e inspeión por ensyos no estrutivos omo inspeión visul y líquios penetrntes, fueron según AWS D1.2, one se evluron ls isontinuies superfiiles. Se pliron los upones líquios penetrntes fluoresentes omo téni e resplo y l Foto 1 muestr pr un junt en filete el sovo preominnte e 1mm e profuni misile entro e los riterios el óigo. Gráfio 3. Curv esfuerzo e formión el mteril e porte utilizo on l tenologí Z e l junt sol tope. Fuente: Lortorio e Mteriles, Universi Los Liertores. Foto 1. Resultos Téni Líquios Penetrntes Junts en Filete. 17

5 Tl 4. Mtriz e oifiión Mteril se: Mteril e porte: Aluminio AA5083 H116 ER 5183 Gs e proteión: 100% Argón Espesor e lámin: ¼ Proeso: GMAW Pulso Tipo e junt TOPE FILETE NUMERO Posiión DE 2G 3G 4G 2F 3F 4F Equipo CUPONES Tenologí Y M2G2 M3G2 M4G2 M2F2 M3F2 M4F2 6 Tenologí Z F2G2 F3G2 F4G2 F2F2 F3F2 F4F2 6 Pr l relizión e ls prues meánis, los upones se imensionron y trzron ore on l AWS D1.2; los Digrms 3 y 4 muestrn los iseños e los upones pr l otenión e ls proets y su posterior menizo y ensyo tnto e olez pr ls junts tope, omo e frtur pr ls junts en filete. 3.1 Mrogrfís Ls Mrogrfís 1, 2 y 3, muestrn los puntos e oservión e ls proets otenis el upón pr l tenologí Z, se oserv el mteril se, l zon fet por el lor (ZAC) y el mteril e porte; se prein tmién ls seiones el mrotque, según lo ini el iseño. Digrm 3. Dimensionmiento pr proets Junts Tope. Mrogrfí 1. Tenologí Z; óigo F2G2 10X. Digrm 4. Dimensionmiento pr proets Junts en Filete. Fuente: [23]. Mrogrfí 2. Tenologí Z; óigo F3G2 10X. 18

6 Mrogrfí 3. Tenologí Z; óigo F4G2 10X. Mrogrfí 6. Tenologí Y; óigo M4G2 10X. Ls Mrogrfís 4, 5 y 6 orresponen l tenologí Y on ls misms rterístis enunis nteriormente. Ce notr que pr el mrotque e tos ls proets, se utilizó un soluión e 200 e HNO 3 y 50 e HF tempertur miente, por un tiempo e 60 s, pr estleer l isoluión e los preipitos y el reonoimiento e ls isontinuies omo: óxios, griets e inlusiones. 3.2 Ensyo e olez Mrogrfí 4. Tenologí Y; óigo M2G2 10X. El ensyo e olez, pr ls junts tope, se relizó un vez verifis ls oniiones mrosópis e ests, resltno un omportmiento e frtur frágil en tos ls proets sols on l tenologí Z, on un ruptur totl según se muestr en l Foto 2. Por su prte, pr ls pliiones on l tenologí Y, l Foto 3 evieni l generión e griets trnsversles por l r e l ríz. Mrogrfí 5. Tenologí Y; óigo M3G2 10X. Foto 2. Tenologí Z. 19

7 Foto 3. Tenologí Y. Foto 4. Tenologí Z; óigo F2F Ensyo e Frtur El ensyo e frtur se prtió los upones solos en filete, uyo omportmiento pr to l pliión on l tenologí Z, fue generión e poros y flt e fusión, tl omo muestrn ls Fotos 4, 5 y 6. L tenologí Y present en ls Fotos 7, 8 y 9, un menor generión e poros y flt e fusión. 3.4 Ensyo Metlográfio Ls mirogrfís 1, 2 y 3, presentn los resultos el ensyo metlográfio pr el iseño e ls junts tope y ls mirogrfís 4, 5 y 6, pr ls junts en T. Los puntos esignos omo y en el iseño, orresponen l ZAC. El punto es evluo en l prte superior e est zon y el punto en l prte inferior. El punto es vloro en el mteril e porte y el punto pr el mteril se. Se puee preir en ls mirogrfís, l onfirmión e isontinuies omo poros y flt e fusión en ls junts en T. Foto 5. Tenologí Z; óigo F3F2. Junts Tope: Foto 6. Tenologí Z; óigo F4F2. 20

8 Mirogrfí 1. Metlogrfís upón tope M2G2 100X. Foto 7. Tenologí Y; óigo M2F2. Mirogrfí 2. Metlogrfís upón tope M3G2 100X. Foto 8. Tenologí Y; óigo M3F2. Foto 9. Tenologí Y; óigo M4F2. Mirogrfí 3. Metlogrfís upón tope M4G2 100X. 21

9 Junts en T (Solur e Filete): Mirogrfí 6. Metlogrfís upón en T M4F2 100X. Fuente: Los utores el proyeto Ensyo e Durez Mirogrfí 4. Metlogrfís upón en T M2F2 100X. Los Gráfios 4 y 5, orresponen los perfiles e urez pr los iseños e junts tope on ls tenologís Z y Y respetivmente, oservánose un simetrí en los perfiles e urez pr l tenologí Z, mientrs que pr l tenologí Y, l teneni e estos es simétri. El mismo omportmiento se prei en los Gráfios 6 y 7, orresponientes los perfiles e urez e ls junts en T. Gráfio 4 Perfil e Durez Tenologí Z. Mirogrfí 5. Metlogrfís upón en T M3F2 100X. Gráfio 5 Perfil e Durez Tenologí Y. 22

10 Gráfio 6 Perfil e Durez Tenologí Z. Gráfio 7 Perfil e Durez Tenologí Y. Conlusiones Se seleionron os tenologís e pliión GMAW PULSADO, ls ules se esignron omo Y y Z respetivmente; ests se pliron iseños en junts tope y en T, on posiiones e soleo 2G, 3G y 4G pr tope y 2F, 3F y 4F pr T. Se onfiguró l mtriz e oifiión pr segurr l trzili e mteriles en l tl 4, on los prámetros e Argón 100%, omo mezl gseos pr est primer fse. L rterizión preliminr l mteril se y e porte on ls prues e espetrometrí y meánis, permitieron estleer ls ompriones on ls referenis teóris onsiers. Los vlores e ls prues meánis pr el ensyo e tensión e ls junts tope, muestrn un inremento el 28,1% en el esfuerzo e flueni y el 24,5% pr el esfuerzo e ruptur en los upones solos on l tenologí Y, frente l tenologí Z. Con ls ténis e inspeión visul y líquios penetrntes, se evluron ls isontinuies superfiiles e los upones. El mrotque mostró, en ls junts sols, ls zons el mteril se; zon fet por el lor ZAC y mteril e porte. El ensyo e olez y frtur, permitieron evienir que ls pliiones relizs on l tenologí Z, presentron omportmientos meánios inferiores l tenologí Y. El nálisis metlográfio mostró, on más etlle, l miroestrutur e ls zons e ls junts sols y onfirmó isontinuies omo poros y flt e fusión. Este proeimiento se relizó on un mirosopio óptio metlográfio oneto un nlizor e imágenes on mgnifiión 100x en niveles e gris, eio que el interés e l investigión er el e eterminr ls oniiones gloles el mteril e porte, frente l mteril se. En ls mirogrfís se lnzn preir zons enrítis (puntos lnos) en l ZAC, on orientiones nisotrópis eio ls posiles fses presentes omo Si, Mg 2 Si, Fe 2 Si 2 Al 9 y Fe 3 SiAl 12, entro e un mtriz e soluión sóli ri en luminio, según los resultos el nálisis químio. En los perfiles e urez, l simetrí e los puntos lo present l tenologí Y, mientrs que l tenologí Z muestr irregulri. L mgnitu e urez más lt l presentn los upones solos on l tenologí Y, en ls esigniones F3G2 on 95 HB y F3F2 on 82 HB en el mteril e porte, mientrs que pr ls esigniones M3G2 y M3F2, fueron e 99HB y 88 HB respetivmente. Se reomien nlizr el omportmiento e este mteril on otr mezl gseos omo Ar 25%, He 75%; Ar 50%, He 50% y pror on otrs tenologís en un segun fse e l investigión. Es importnte l pitión el personl ténio pr este proeso y trnsferir los onoimientos l stillero e Cotemr en Crtgen. 23

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