Un problema muy presente en las industrias de construcciones soldadas y, en especial, las de fabricación naval en aluminio está determinado por la disminución de ciertos valores de indicadores resistentes en las uniones soldadas. Estos incluyen el límite a la fluencia, la resistencia última a tensión, la elongación y la resistencia a la fatiga en presencia de discontinuidades tales como dislocaciones, poros, fisuras e inclusiones sólidas.
Lo anterior es asumido por efecto del calor suministrado y absorbido por la aleación en la zona adyacente al depósito de soldadura; por los procesos de transferencia térmica y cambios de fase respectivos, fenómenos de recristalización presentes y esfuerzos residuales remanentes. Es decir, tomando en cuenta que las uniones soldadas son afectadas por las cargas y esfuerzos transmitidos a las juntas, así como por las condiciones de trabajo, geometría y complejidad del producto y/o construcción soldada, generando concentradores de esfuerzos, fatiga, agrietamientos y fracturas.
Como se afirma en la literatura científica sobre este tema, el aporte térmico está asociado a parámetros de soldadura como tensión, intensidad de corriente, velocidad de avance, tipo y flujo de gases de protección, transferencia y altura del arco, posición de soldadura. De manera que el aporte térmico afecta las propiedades físicas y químicas, dado que se generan cambios microestructurales según sea la sensibilidad al calor del material soldado.
Estos cambios microestructurales están asociados a la formación de dislocaciones en materiales deformados, a fenómenos de recristalización y tamaño de grano, a la calidad y nivel de precipitados presentes tanto en el interior de los granos como en los límites de grano, a la capacidad de dilución de algunos elementos presentes en las aleaciones, definiendo las transformaciones de fase respectivas, y los esfuerzos residuales remanentes en la unión. Por tanto, son necesarios estudios de soldabilidad que garanticen la confiabilidad de la unión soldada brindando información valiosa a diseñadores y fabricantes de productos soldados en aluminio.
Este artículo tiene por objetivo mostrar la plataforma metodológica utilizada en el desarrollo de la tesis doctoral en ingeniería mecánica "influencia del aporte térmico en uniones soldadas en aluminio AA5083-H116 con proceso GMAW-P".
Soldabilidad del Aluminio
La soldabilidad de un material se define como una propiedad tecnológica que mide la capacidad del material de dejarse unir en forma técnica y económica con los procesos y técnicas de soldadura mediante procedimientos adecuados que aseguren la calidad del depósito de soldadura acorde con las especificaciones establecidas en el diseño. El grado de soldabilidad está determinado en gran manera por la sanidad del material y facilidad a soldarse sin necesidad de recurrir a sendos procedimientos previos, durante y post soldadura.
Los diversos enfoques y características consideradas en estudios de soldabilidad permiten definir cómo se dan los fenómenos de transformación microestructural que explican el comportamiento mecánico de la unión soldada en las regiones de soldadura. Esto permite definir cómo deben ser las condiciones de servicio y operativas de la unión afín con la fabricación de componentes soldados, procesos y procedimiento de soldadura utilizados. Además definen la técnica utilizada, aporte térmico y velocidad de enfriamiento en la unión soldada.
En el depósito de soldadura se encuentran productos de la solidificación: estructuras dendríticas y columnares, crecimiento epitaxial, impurezas y frecuentemente discontinuidades y defectos de soldadura. En la zona afectada térmicamente (ZAT) se producen cambios microestructurales producto de fenómenos de recuperación, recristalización y crecimiento de grano.
Se conoce además que la soldabilidad en uniones soldadas está determinada entre otros por los siguientes factores:
- Compatibilidad química y fluidez del material base y de aporte.
- Temperatura de fusión, calor específico, alta conductividad y nivel de expansión térmica.
- Estabilidad del arco, naturaleza refractaria del óxido de aluminio, características de color similares cerca del punto de fusión y atmósfera de protección.
- Requerimientos de precalentamientos y tratamientos térmicos antes, durante y post soldadura.
- Tensión superficial característica del depósito de soldadura fundido.
- Consideraciones de esfuerzos residuales, rigidez, ductilidad, fatiga y resistencia a la corrosión tanto del material base, material de aporte y depósito de soldadura.
- Consideraciones de diseño y desarrollo para la fabricación y ensamble de productos soldados.
Un control efectivo del calor aportado se logra, además, utilizando procesos adecuados de soldadura, con gas de protección GMAW, GTAW y por fricción-agitación y otras técnicas de soldadura que garanticen una ZAT mínima.
Técnicas Comunes de Soldadura de Aluminio
Existen varios tipos de soldadura utilizados para el aluminio, cada uno con sus propias técnicas y aplicaciones. Entre las técnicas más comunes se encuentran:
Soldadura TIG (GTAW)
Es una técnica de soldadura que utiliza un electrodo de tungsteno y un gas de protección, como el helio o el argón, para crear un arco eléctrico y soldar el metal. Es una técnica precisa y limpia, pero requiere habilidad y experiencia para manejarla. Se utiliza para soldar metales delgados y de alta calidad como el acero inoxidable y el aluminio.
Soldadura MIG (GMAW)
Es una técnica de soldadura que utiliza un alambre continuo y un gas de protección para soldar el metal. Es una técnica rápida y fácil de aprender, pero tiene una menor precisión que la TIG. Se utiliza para soldar acero y aluminio de espesor medio y para trabajos de reparación y fabricación en general.
Soldadura de Arco
Es una técnica de soldadura que utiliza un electrodo consumible y un gas de protección para crear un arco eléctrico y soldar el metal. Es una técnica rápida y económica, pero requiere un poco más de habilidad y experiencia que la MIG. Se utiliza para soldar metales de espesor medio y para trabajos de reparación y fabricación en general.
Soldadura de Puntos
Es una técnica de soldadura en la que se aplica una pequeña cantidad de soldadura en puntos específicos. Es una técnica precisa y limpia, pero requiere una gran habilidad y experiencia para manejarla. Se utiliza para soldar metales delgados y para trabajos de reparación y fabricación de precisión.
Soldadura de Electrodo Revestido
Es una técnica de soldadura en la que se utiliza un electrodo revestido con una sustancia que ayuda a proteger el metal durante la soldadura. Es una técnica económica y fácil de aprender, pero requiere un poco más de habilidad y experiencia que la soldadura MIG. Se utiliza para soldar metales de espesor medio y para trabajos de reparación y fabricación en general.
Soldadura por Resistencia
Es una técnica de soldadura en la que se aplica una corriente eléctrica de alta frecuencia a los metales a soldar, generando calor por resistencia y soldando los metales. Es una técnica rápida y precisa, pero requiere una gran habilidad y experiencia para manejarla.
Consideraciones Adicionales
En cualquier proceso de soldadura de aluminio, la preparación previa de las piezas es crucial. No solo se trata de tener las herramientas adecuadas, sino también de asegurarse de que las superficies estén perfectamente limpias y listas para la soldadura. En Charnay & Molina, damos gran importancia a esta etapa del proceso, realizando un análisis exhaustivo de las piezas antes de proceder con la soldadura.
Además, es fundamental utilizar el equipo de protección personal adecuado, incluyendo guantes resistentes al calor, ropa protectora, una máscara de soldadura con filtro adecuado y gafas de seguridad.
Metodología para la Investigación en Soldadura
La metodología para el desarrollo de proyectos de investigación requiere de claridad, pertinencia, coherencia, validez y confiabilidad en los métodos y técnicas cuantitativas y cualitativas utilizadas en relación con el cumplimiento de los objetivos y los resultados esperados, en un marco de tiempo ajustado a un presupuesto y cronograma de actividades.
El análisis del estado del arte es fundamental. Se revisará que la información registrada en journals y revistas especializadas y seriadas, catálogos de fabricantes, blogs de expertos, etc., esté actualizada, sea coherente y pertinente con el tema de estudio permitiendo desarrollar el estado del arte y la técnica así como el marco teórico referencial en función de caracterizaciones y análisis microestructurales y mecánicos realizados en el material de estudio y afines, modelos obtenidos de transformaciones de fase y cinética de precipitados presentes en la unión, metodología y análisis de soldabilidad de las aleaciones, tendencias de desarrollo, procesos de soldadura, variables e influencia en la unión soldada y todo aquello que en la búsqueda aporte al objeto de investigación, desarrollo e innovación.
Con base en la información obtenida y registrada, producto de la fase II, que permite definir la factibilidad y ventanas de la investigación se procede a definir la situación problema y pregunta de investigación ¿Cuál es la influencia específica del aporte térmico en la soldabilidad de la aleación de aluminio AA5083-H116 en términos de la macro y microestructura y las propiedades mecánicas de la aleación?
Desde luego que en esta pregunta es necesario tener en cuenta la sensibilidad a la disminución de los indicadores resistentes, la probabilidad de formación de fisuras, poros y tensiones residuales para poder establecer correlaciones con los índices de desempeño de la junta soldada bajo cargas dinámicas y cuasi estáticas, lo que permitirá asegurar la integridad de la unión soldada.
A continuación se identifican variables de análisis y especificaciones correspondientes con el tema de investigación, mediante la elaboración de un análisis funcional del objeto de investigación que describa cuales son los elementos funcionales a tener en cuenta para el desarrollo de la investigación.
En esta fase se preparan los especímenes de prueba, se ejecutan soldaduras y realizan ensayos y pruebas requeridas para la caracterización del metal de base, del depósito de soldadura y de la unión soldada así como la determinación del comportamiento mecánico en términos de la resistencia última y a fluencia, ductilidad de la unión y estudio microestructural profundo en las regiones de soldadura especialmente en la ZAT.
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