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MODELO PARA LA DETERMINACIÓN DEL ÁREA DEL CORDÓN EN SOLDADURAA TOPE DE ALUMINIO 6063 - T5

Payares de A., M.e, De Barros, c.; Muñoz de Escalona, P; Cassier, Z.Departamento de Mecánica, Universidad Simón Bolívar, Sartenejas. Apdo. 89000, Caracas 1081,Venezuela.

RESUMEN

Para predecir la capacidad de transmisión de cargas de una junta soldada, es necesario estudiar lageometría del cordón de soldadura, a través de las relaciones entre los parámetros de soldadura y lageometría del cordón. En los últimos años', los estudios que se han realizado para determinar los efectos delos parámetros de soldadura, sobre las características del cordón bajo el proceso GMA W (Gas Metal AreWelding) han establecido empíricamente la influencia entre la velocidad de soldadura y el cordón desoldadura. En esta investigación, se analizará el efecto de la intensidad de corriente, el voltaje y la velocidadde soldadura sobre el cordón de soldadura, en soldaduras a tope de aluminio 6063 - T5, utilizando elproceso GMA W. Además, se establece una expresión matemática obtenida a través de un análisis deregresión lineal múltiple que permite determinar el área del cordón de soldadura como una función de estosparámetros de soldadura concluyendo que la variable que podría tener una mayor influencia en el área delcordón de una soldadura a tope de aluminio 6063 -T5 es la intensidad de corriente,

ABSTRACT

The study of the geometry of welding, is important for determining the load carrying capacity of aweld joint, where the emphasis is placed on relationships between various welding variables and the weldbead geometry. Specifically the weld bead depth and the weld bead width are the components of the weldbead geometry. Recent studies of aluminum welding showed empirically the influence of the welding speedand the weld bead geometry. In this research the effect of are current, are voltage and welding speed on theweld bead geometry in butt joint of aluminum 6063 - T5 using a GMA W (Gas Metal Are Welding) processis analyzed and a mathematical model for the prediction of weld bead geometry as a function of thesevariables is established using a multiple liner regression method. From this results it was obtained that theare current seems to be the most influence variable on the weld bead geometry.

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INTRODUCCIÓN

Las relaciones entre los parámetros desoldadura y la geometría del cordón debe serestudiada cuidadosamente debido a queintervienen un gran número de factores Hoydía existe una necesidad de obtenerinformación para el desarrollo de losprocesos y conocer el mecanismo deformación del cordón de soldadura. Esimportante establecer una metodología parapredecir cuales son las variables que afectan oinfluyen en la geometría del cordón, y asíoptimizar los parámetros de soldadura paracada situación en particular. Hasta elmomento, se han realizado investigaciones,principalmente para los aceros, donde seestablece el efecto de las variables delproceso de soldadura en la geometría delcordón y también se han realizado ensayosexperimentales usando las' técnicas demétodos de regresión lineal múltiple paracalcular el área del cordón como una funciónde éstas variables. [1 -4]

En la morfología de la soldadura, el áreadel cordón de soldadura es uno de loscomponentes más importantes, debido a queafecta el número de pasadas requerido parallenar una junta de soldadura. Además, elcordón de soldadura determina la dilución delmetal base y su influencia en la capacidad detransmisión de cargas de la junta delelemento en cuestión. [5-8].

Para determinar el comportamiento delcordón de soldadura en el aluminio,utilizando el sistema GMAW (Gas Metal AreWelding), algunos investigadores [9] hanestablecido la influencia tanto de la intensidadde corriente como la del voltaje del arco en lapenetración de soldadura, además se llevarona cabo investigaciones adicionales ensoldadura para el aluminio. En estasinvestigaciones se encontró que un aumentode la velocidad de soldadura produce una

disminución tanto en la profundidad delcordón como en el ancho del cordón.

En este trabajó se estudió la influencia devarios parámetros de soldadura sobre lageometría del cordón, estableciendo nuevasevidencias en soldadura especialmenteaplicados al aluminio. Se representa el efectodel voltaje de arco, la intensidad de corrientey la velocidad de soldadura en la geometríadel cordón.

Además, se establece una expresiónmatemática para calcular el área del cordónen función de estos parámetros de soldaduraestudiados.

PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Los ensayos fueron diseñados paraevaluar y representar la influencia de lasvariables de soldadura en la geometría delcordón de una junta a tope de aluminio 6063T-5.

Para la realización de los cordones desoldadura se utilizó un equipo automáticoMIG, utilizando una fuente de poder apotencia constante y empleando corrientecontinua - polaridad reversa (DCRP) , Ladefinición de la geometría del cordón y lapenetración de soldadura de una junta a topese representa en la Figura l.

( s

h

MB: Metal Baseh: Altura del CordónS: Ancho del Cordónp: Penetración MB

Figura 1. Esquema del cordón de soldadura y lapenetración en una junta a tope

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Se utilizaron pletinas de aluminio 6063-T5 como material base, con un espesor de6,35 rnm. cuya composición química semuestra en la Tabla l. Las probetas fueronobtenidas seccionando barras rectangularesde 50,8 x 80 mm. Como material de aportefue utilizado alambre de electrodo ER5356con un diámetro de 1,19 rnm. el cual es elrecomendado por AWS A5.10.

A cada probeta se le hizo un limado enlos bordes de los cantos para eliminar lasrebabas que se obtuvieron en el proceso decorte y posteriormente un decapadomecánico en la superficie con un -cepillorotativo de alambre de acero, además de serlimpiadas continuamente con thinner(desengrasante) para remover algún sucio ograsa.

Tabla 1. Composición Química del Al6063- T5 YER 5356.

Elementos

% peso Si Fe Cu Mn Mg Cr Zn Ti Al

± 0_01

metal

base 0.38- 1.24 a • a 0.45 a a 1.3 resto

A16063 0.49

electrodo b •• b 0.02 0.07 4.45 0.07 0.01 0.12 resto

• a < 0_03 %

•• b. Si + Fe = 0.33 %

Debido a la necesidad de obtener datosmás confiables que describan el efecto de loscambios de los parámetros de soldadurasobre la geometría del cordón, los cordonesde soldadura de las juntas a tope serealizaron utilizando variaciones sistemáticasde los parámetros de soldadurarecomendados [10-12].

En la Tabla 2 se representan losparámetros de ensayo que fueron utilizadosen esta investigación.

Tabla 2. Parámetros de Soldadura Experimentales

1 (A) 150 180 210E (v) 18 21 24

V(cm/min) 50 59 68 77186195l

1: Intensidad de CorrienteE: Voltaje de arco.V: Velocidad de Soldadura

Se realizó un cordón de soldadura porcada condición a lo largo de cada probeta, deesta manera, se obtuvieron 54 probetas concordones de soldadura. Posteriormente, seseccionaron transversalmente las probetas enla región uniforme y regular del cordón (sedesecharon los extremos de cada probetadebido a la inestabilidad de los parámetros enel momento de arranque y finalización delproceso). Tres muestras de 15rnm. de largofueron obtenidas de cada condiciónexperimental. En total se obtuvieron 162muestras de las 54 condiciones establecidas.

Debido a la característica de metal blandoque presenta el aluminio, lo cual hace que sedificulte su preparación metalográfica, lasmuestras fueron pulidas electrolíticamente.Una vez pulidas las muestras, el ancho y laaltura de los cordones de soldadura fueronmedidas en un microscopio de campograduado, Marca POZ Warszawa ,apreciación 0.01 rnm.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

El Efecto de la Velocidad de Soldadura

Para todas las condiciones experimentalesque se establecieron en la investigaciónmanteniendo constante la intensidad decorriente y el voltaje del arco el efecto de lavelocidad de soldadura sobre el área decordón, muestra una tendencia descendente(Figura 2).

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En esta Figura 2, se puede observar queun aumento de la velocidad de soldaduraproduce una disminución tanto de la altura

como del ancho del cordón. Ver Figura 3.Estos resultados concuerdan con los trabajospublicados por Yasuda [13].

(mm),h(mm)

700

Al 6063 6.35 mmER5356 1.19 mmAr, 30 cfh

8.00 1=180 A.. E= 24 V

6.00

5.00

4.00

3.00

z.cc

1.00

0.00 l----~-- ~--~--~---~--~-~

Velocidad de soldadura (cm/min)

100

Figura 2. Altura (h) y ancho (S) del cordón vs. velocidad de soldadura para una intensidad y voltaje constante.

El Efecto de la Intensidad de Corriente.La influencia de la intensidad de corriente

sobre la geometría del cordón de soldadurapara todas las condiciones experimentalesestablecidas, manteniendo el voltaje y lavelocidad de soldadura constante, tiene lamisma tendencia a la curva mostrada en laFigura 4.

I s (•••• ¡. h(mm)

1-2.00

.llAI6063 635 rrrn IER.H56 1.19mm S

10.00 Ar. 30 dhE=24 V. v= 68 cmlmin I ~

800 -:;::;:---

6.00

4.00

2.00

0.00 +---+----+----+--~-__+_-__t120 140 160 ISO 200 220 240•••••••••, 'n ctmiA :'. '.' '36 tmhnilr 95 IliIill

Figura 3. Efecto de la velocidad de soldadura sobrela geometría del cordón.

Figura 4. Altura (h) Y ancho (S) del cordón vs.intensidad de corriente pan! un voltaje y velocidad dela soldadura constante.

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En esta Figura 4, se puede observarque el efecto de la variable operacional esmás determinante en el ancho (s) del cordónque en la altura (h) del mismo, además sepuede observar que a medida que laintensidad de corriente aumenta, el ancho y laaltura del cordón también aumentan. LaFigura 5. muestra una fotomicrografia, quepermite observar cualitativamente loanteriormente mencionado; nótese que lavariación afecta más al tamaño del cordónque a su perfil. Posiblemente la explicaciónde esto se deba al efecto que tiene laintensidad de corriente en la dimensión delcharco de metal fundido, ganando ésta entamaño a medida que la intensidad decorriente aumenta.

Figura 5. Efecto de la intensidad de corriente sobrela geometría del cordón

El Efecto del Voltaje del Arco.

La geometría del cordón de soldadura esafectada por el aumento del voltaje del arco,manteniendo tanto la intensidad de corrientecomo la velocidad de soldadura constante.En la Figura 6 se ilustra la variación de lageometría del cordón, altura (h) y ancho (s),en función del voltaje del arco. Se puedeobservar que un aumento del voltaje del arco,trae como consecuencia un incremento delancho del cordón de soldadura y una

disminución de la altura del mismo. Estatendencia ocurre para todos los casosensayados. La variación del voltaje del arcoes más significante en el aumento del anchodel cordón que en la disminución de la alturadel mismo. Las causas que explican estecomportamiento posiblemente sean lasmismas que para el caso de intensidad decorriente. No obstante, otro factor quepodría influir es la sección de la muestra de15 mm, de largo utilizada en el ensayo.

:::110.00 '-- __ ------' _E _

5 8.00..•í 6.00

'"

AI6Oti3 6.35 mmER53.'56 1.19mm

Ar. 30 cfh1= 210 A, v=68 cmlmin

4.00 ______ h

2.00

O.OO+-------~-------_11J4 21 28

Voltaje del arco (VJ

Figura 6. Altura (h) y ancho (S) del cordón vs.voltaje de arco para una intensidad yvelocidad de la soldadura constante.

Figura 7. Efecto del voltaje de arco sobre lageometría del cordón

La Figura 7. muestra la influencia delvoltaje del arco sobre la geometría del

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cordón, en dicha figura se puede observarque el perfil del cordón de soldadura se veafectado significativamente por la variacióndel voltaje, es decir si este es disminuido seobtiene un perfil más estrecho y convexo.Las variaciones en la penetración tambiénpueden ser observadas.

Modelo Matemático propuesto para laDeterminación del Área del Cordón.

A partir de los resultados obtenidos ymediante la aplicación del método deregresión lineal múltiple con el softwareexcel, se analizó la relación entre el área delcordón con los parámetros del proceso paraprobetas de 6,35 mm de espesor, obteniendola siguiente expresión:

Ac = 0,316 11,458 EO,221 V·1,044 (Ec. 1)

R = 0,95R2=0,91R2

ajustado= 0,91

150< 1< 21018< E< 2450< v < 95

donde:Ac: Área del cordón (mm'),1: Intensidad de corriente (amp),E: Voltaje (v),V: Velocidad de soldadura (cm/min.).R: Coeficiente de correlación múltiple.R2: Coeficiente de determinación.R2ajustado: Coeficiente de determinación ajustado.

Esta ecuación presenta tanto uncoeficiente de correlación múltiple y uncoeficiente de determinación alto, los cualesindican, alta dependencia del área del cordóncon las tres variables operacionalesconsideradas como grupo y una proporciónde varianza de 91% aproximadamente, en lacual la variable dependiente quedaestadísticamente explicada.

Los valores de los coeficientes de lasvariables operacionales de la ecuación 1,

indican que el área del cordón varía en unarelación directamente proporcional con laintensidad de corriente y con el voltaje delarco, e inversamente proporcional con lavelocidad de soldadura. Estos valores sonconstantes y difieren con las condiciones nooperacionales del proceso. Por esta razón, lasrelaciones que se obtienen del área delcordón con respecto a las diferentes variablesque la afecta, son solo válidas para elmaterial y el proceso particular estudiado.

Al observar el valor y signo de losexponentes de cada una de las variables sepuede establecer que la dependencia del áreadel cordón, es más determinante, con laintensidad de corriente y la velocidad desoldadura que con el voltaje del arco.

Comparación entre los Valores del Áreadel Cordón Medidos y Calculados con laexprestén Matemática obtenida.

El área transversal del cordón ensoldaduras a tope (A,) ejecutados en posiciónplana se determinó a través de la ecuaciónexperimental encontrada por Datsko [7]:

A, = 2/3 h Sdonde:

h = altura del cordón (mm.)

S = Ancho del cordón (mm.)

Cada una de las mediciones de h y S serealizaron a 162 muestras.

En la Figura 8, se muestran las curvasobtenidas mediante ajustes lineales pormínimos cuadrados con su correspondientecoeficiente de determinación, que relaciona elárea del cordón medido con el área delcordón calculado a través de la expresiónmatemática obtenida (Ec. 1). Además, enesta gráfica se representa la curva ideal que

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muestra una cercana correspondencia entrelos valores medidos y calculados. Lacomparación entre ambas curvas permitenvisualizar la confianza de la expresiónobtenida.

3~.00

5.00

.y : 0.9079 •• 1.2788

R': O.91?9

30.00 • Ar~a calculada• Ar~a Id~al

-Un ••.•1(A•••.•c .•lcul .•d.•)........Lineal (Area Id••al)

..."e 25.00

!.: 20.00lO'S.¡ 15.00

": 10.00.(

y=" •R'= 1

0.00 L _ _+_----+ __ -4- __ ------; ---'

0.00 10.00 1~.00 20.00Arpa mpdida mm~

~.OO 25.00 30.00

Figura 8. Comparación entre los valores de áreamedida y calculada mediante la ecuación1 y los valores esperados.

En el presente, todavía se estánrealizando trabajos de investigación donde seconsideran la influencia de los parámetros desoldadura en la penetración y las propiedadesmecánicas en soldaduras de aluminio y acerosinoxidables.

disminución en el voltaje del arco, nosolamente produce un aumento de laaltura del cordón sino también de suconvexidad.

• En soldaduras de Al 6063 - T5 en unrango de espesores de 6,35 rnm. utilizandocomo material de aporte ER5356 unaumento de la velocidad de soldaduraproduce una disminución tanto de la alturacomo del ancho del cordón.

• Para las soldaduras de Al 6063 -T5,utilizando material de aporte ER5356, elModelo Matemático propuesto, establece.una muy buena relación del área delcordón con los parámetros de soldadura:intensidad de corriente, voltaje de arco yvelocidad de soldadura es lo que serepresenta en la Ecuación l.El parámetro operacional más influyenteen la variación del área del cordón, para lasoldadura de Al 6063 T5, es la intensidadde corriente.

REFERENCIAS

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• En las uniones soldadas de Al 6063 - T5 Relationship Between Are Weldingutilizando material de aporte ER5356, una Parameters and Weld Bead Geometry _ a

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CONCLUSIONES

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