Determinación de la velocidad óptima para la soldadura MIG de la aleación 5086-H116, mediante ensayo de dureza, prueba de tracción y examen metalográfico para la fabricación de tanqueros de aluminio

1. Introducción

A nivel mundial, la mayoría de empresas dedicadas a la construcción de tanques y equipos de transporte a granel han realizado una serie de investigaciones con el fin de mejorar la calidad constructiva de los mismos, llegando a la conclusión que una de las alternativas para lograr este objetivo sería cambiar el material que se viene utilizando para la fabricación de este tipo de equipos; reemplazar el acero por el aluminio, por sus múltiples ventajas como su baja densidad. El aluminio es conocido también por su resistencia a la corrosión frente al aire, al agua, los aceites, los alimentos y muchos agentes químicos (Alustock, 2013). Esta resistencia se debe a la existencia de una capa de óxido de aluminio, llamada alúmina, que impide la corrosión del metal (Askeland, 2012). Se trata de una capa refractaria, que posee una temperatura de fusión muy elevada por lo que se debe retirar antes o durante la operación de soldeo para permitir una buena fusión del metal base (Solvay, 2012).

En Europa, las aleaciones de aluminio son ampliamente utilizadas para la fabricación de tanqueros de transporte de combustible; para esta aplicación se recomiendan las aleaciones: 5059, 5083, 5086, 5088, 5182, 5186,5383, 5454, 5754 (European, 2011). Los aluminios de la serie 5xxx, son aleaciones de aluminio magnesio endurecidas por dos mecanismos, solución sólida y deformación (Unfried, 2017).

En Ecuador se ha realizado un estudio para determinar el amperaje óptimo de la aleación sometida al proceso, llegando a la conclusión que el mismo es de 148 A. Debido a que ya se tiene un estudio previo con la aleación 5086-H116 en la que se determina el amperaje óptimo para esta aleación, se escoge esta aleación para determinar la velocidad optima de soldadura y complementar con esto el estudio previo.

Este estudio ha considerado el sistema de soldadura de arco metálico protegido por gas (GMAW) que utiliza un electrodo consumible y un gas inerte (Rowe, 2008). Como consecuencia de su utilización se obtienen resultados de mejor calidad en las características de la soldadura, que puede ser utilizada para las industrias automotriz, criogénica, marina, tanques de almacenamiento y recipientes de presión; esto podría permitir la utilización más amplia de esta aleación, lo que sería sin lugar a dudas un aporte a la calidad de los procesos productivos e industriales en Ecuador. En esta investigación se pretende encontrar la velocidad de avance de la soldadura de la aleación 5086-H116, con el objetivo de tener las mejores propiedades mecánicas; para esto se utilizan: ensayo de dureza, prueba de tracción y examen metalográfico; además se podrá tener un procedimiento que permita obtener los parámetros óptimos en procesos de soldadura MIG.

2. Metodología

Para llevar adelante esta investigación se utilizó el método de inducción científica; se estudiaron los parámetros que influyen en el proceso de soldadura y sus relaciones, así como también se realizaron análisis comparativos para determinar la mejor velocidad de avance.

Para iniciar el proceso de soldadura es necesario contar con el equipo de soldadura MIG, en donde regulamos los parámetros de soldadura tomando en consideración el amperaje óptimo de 148 A (Hidalgo, 2013).

Las probetas fueron construidas con planchas de 4,78 mm de la aleación de aluminio-magnesio 5086-H116 cortadas con plasma para obtener sus medidas recomendadas. En el proceso de soldadura se utilizó un pirotomo, cuyas características se muestran en la Tabla 1, para ejecutar la operación y garantizar la velocidad de avance constante.

Tabla 1

Características del pirotomo

Se utilizaron electrodos ER5356 que tienen aluminio, con un 5% de magnesio y un 0,3 de manganeso más cromo; este electrodo es recomendado para aleaciones que tengan de 3 a 5 % de magnesio; al tener la aleación 5086-H116 de 4,5 a 5,5 % de magnesio se elige este electrodo (Soto, 2013).

La calificación del procedimiento de soldadura se realizó de acuerdo a lo especificado en la norma AWS D1.2:2003 (Amú, 2009).

Para poder cuantificar la energía aportada a la soldadura, se utiliza la Ecuación 1.

(1)

Donde:

HI = Aporte térmico (J/mm).

β = Factor de Aprovechamiento (adimensional)

Vs = Velocidad de Avance (mm/s)

U = Voltaje (V)

A = Intensidad de Corriente (A)

El ensayo de dureza se realizó en el micrómetro Vickers; es importante este ensayo debido a que hay una correlación entre esta propiedad y la resistencia a la tensión (Marulanda, 2013). Se tomaron mediciones de dureza en la ZAC, dado que en esta zona existen variaciones de esta propiedad. Para la medición de dureza se utilizó la norma ASTM de microdureza Vickers (ASTM Committee, 2017), el micrómetro debe ser calibrado antes de su utilización para garantizar sus mediciones (Espín, 2017).

La prueba de tracción se realizó en la máquina universal, controlando los desplazamientos de cada probeta (Naranjo, 2013). Los ensayos de tracción se realizaron siguiendo el procedimiento establecido en la norma ASTM de ensayos de tracción para aleaciones de aluminio magnesio (ASTM Committee, 2015). Se realizan tres probetas por cada velocidad de avance (Piccini, 2017), a partir de los resultados de estas tres probetas, se realizó un promedio para encontrar las propiedades de: porcentaje de elongación, porcentaje de reducción de área, módulo de elasticidad, resistencia a la cedencia y resistencia a la tracción (Navas, 2017).

Para el examen metalográfico se utilizó el microscopio óptico para tomar las microfotográfias en el centro de la ZAC; las probetas fueron pulidas en calidad de espejo y atacadas con Keller durante 20 segundos (Cabrera, 2014). Para realizar la microscopia óptica se siguió el procedimiento establecido en la norma ASTM para preparación de probetas sometidas a la mencionada prueba (ASTM Committee, 2017).

Se realizaron estas tres pruebas debido a que la resistencia, la dureza y la microestructura en la ZAC son diferentes a las que presenta el material base (Fuentes, 2016).

3. Resultados

Las condiciones utilizadas en el proceso de soldadura de la aleación son las que se muestran en la Tabla 2.

Tabla 2

Registro de los ensayos de soldadura

Cálculo de la energía aportada a la soldadura

En la Tabla 3 se muestran los resultados de la energía aportada a la soldadura, teniendo que a menor velocidad de avance mayor es la energía aportada a la soldadura y mientras mayor sea la velocidad de avance menor es la energía aportada a la soldadura. El cálculo de la energía es importante debido a que los cambios microestructurales se deben a la energía aportada a la soldadura (Sánchez-2016).

Tabla 3

Energía aportada a la soldadura en las diferentes velocidades de avance

Ensayo de Tracción

La Figura 1 corresponde a la curva tensión-deformación que se obtuvo en la máquina universal; con esta curva se obtuvieron las características de la probeta que se presenta en la Tabla 4. En la curva esfuerzo-deformación se puede observar la gran ductilidad que tiene la soldadura de la aleación, debido a que presenta un 8,36 % de deformación antes de la fractura; su esfuerzo de fractura es de 24,1 Kg/mm².

Fig. 1:

Curva tensión-deformación probeta 500-1

Tabla 4

Características obtenidas de la curva tensión-deformación de la probeta 500-1

De la superficie de fractura de la probeta 500-1 de la Figura 2, se puede determinar que el tipo de fractura es dúctil porque la fractura alcanza un ángulo de 45^o respecto al eje normal de tracción; no toda el área de la fractura está a 45^o pero sí se puede observar que en su gran mayoría.

Fig. 2:

Aspecto de la fractura de la probeta 500-1

Prueba de Dureza

En la Figura 3 se puede observar, de la misma forma que en todas las probetas, que en el centro del cordón la dureza es menor; en este caso la dureza es de 89,1 HV y poco a poco se va incrementando a medida que la distancia aumenta respecto al eje de soldadura; alcanza los 98 HV a una distancia de 33 mm y luego se estabiliza. Esto indica que la zona afectada por el calor (ZAC) alcanza los 33 mm.

Fig. 3:

Curva de Dureza de la probeta soldada.

Examen Metalográfico

En la microfotografía de la Figura 4 se puede observar que la matriz corresponde a la solución sólida α y las pequeñas partículas grises al constituyente Al₃Mg₂, en menor cantidad que en el metal base debido a la pérdida de magnesio durante la fusión, pero su distribución es uniforme, por lo que las propiedades de la soldadura no se ven seriamente afectadas como en los otros casos; en esta aleación también se tiene impurezas como el silicio y el hierro (Planella, 2005).

Fig. 4:

Microfotografía de material soldado a una velocidad de avance de 500mm/min.

Se determinó que a 500mm/min el porcentaje del Al₃Mg₂ es de 2,6% y el porcentaje de la matriz α es de 97,4%.

En la Figura 5 se puede observar que las partículas grises, correspondientes al Al₃Mg₂, son mas grandes y no se distribuyen uniformemente en la matriz α.

Fig. 5:

Microfotografía de material soldado a una velocidad de avance de 300mm/min.

A continuación, la Tabla 5 presenta un resumen de las diferentes pruebas realizadas a las probetas; se puede observar que la probeta con las mejores propiedades tiene una velocidad de avance de 500 mm/min.

Tabla 5

Resumen comparativo de propiedades mecánicas obtenidas a diferentes velocidades de avance

4. Discusión

De los resultados obtenidos en los diferentes ensayos, se determinó que la velocidad de avance óptima es de 500 mm/min (con un energía aportada de 355,34 J/mm); a esta velocidad se obtienen las mejores propiedades mecánicas, además en esta velocidad de avance se produce la menor pérdida de magnesio, el tamaño de las partículas de Al₃Mg₂ es más fino y se distribuyen de manera uniforme en la matriz α, lo que permite obtener las mejores propiedades mecánicas.

A velocidades menores, esto es 300 y 400 mm/min, la energía aportada es demasiado elevada lo cual produce una gran pérdida de Mg por evaporación, tanto en la solución sólida α, como en la fase intermetálica Al₃Mg₂. A velocidades mayores, a 550, 600 y 700 mm/min, la energía aportada es insuficiente para disolver las partículas de Al₃Mg₂ y conseguir una distribución uniforme en la matriz α.

Es importante resaltar la influencia positiva sobre las propiedades mecánicas que tienen la cantidad, el tamaño y la distribución de las partículas intermetálicas de Al₃Mg₂. Por lo tanto, el proceso de soldadura se debe realizar bajo parámetros que permitan que las partículas de segunda fase se hallen en condiciones que brinden las mejores propiedades en la unión.

5. Conclusiones y recomendaciones

Se estudió el efecto de la energía en la soldadura GMAW de la aleación 5086-H116 sobre la microestructura y propiedades mecánicas de resistencia y dureza. El nivel de energía que permitió obtener los mejores resultados es 355,34 J/mm, el cual se obtuvo con una velocidad de avance de la soldadura de 500 mm/min.

Se determinaron los cambios microestructurales en las juntas soldadas y su efecto en las propiedades mecánicas de resistencia y dureza, concluyendo que son importantes el porcentaje, el tamaño y la distribución de la fase intermetálica Al₃Mg₂.

Con los resultados provenientes de esta investigación se pueden poner a disposición de la industria los parámetros óptimos de soldadura para la aleación 5086-H116 con proceso GMAW, que son un amperaje de 148 A, voltaje de 25 V y una velocidad de avance de 500 mm/min.