Reconstrucción por soldadura de arco sumergido de rodillo inferior doble pestaña de una Caterpilar D6

Reconstrucción por soldadura de arco sumergido de rodillo inferior doble pestaña de una Caterpilar D6

Indice1. Introducción 2. Procedimiento de soldadura (WPS) 3. Proceso 4. Material Base 5. Condiciones de servicio 6. Justificación de variables 7. Recomendaciones y observaciones en los procedimientos estudiados. 8. Sugerencias y recomendaciones generales. 9. Bibliografía

1. Introducción

La utilización de la Soldadura para la reconstrucción de partes que tienen como característica el mayor desgaste en los componentes de una máquina, se ha convertido en una solución práctica y económica que permite la utilización de estas piezas por un tiempo determinado. En este trabajo se propone un procedimiento de soldadura y se analiza el procedimiento adecuado para llevar a cabo la reconstrucción de un rodillo inferior doble pestaña de una CATERPILLAR D6, el cual es la parte que más desgaste sufre al estar en contacto permanente con las cadenas de tracción del vehículo, y los diferentes mecanismos como abrasión, corrosión, etc. Se tomaron datos y verificación del procedimiento de soldadura gracias a la colaboración de empresas como BERCO y GECOLSA, llegando a un procedimiento de soldadura adecuado que tiene en cuenta las variables esenciales del proceso y los posibles problemas de soldabilidad, muchas de las cuales fueron tomadas de recomendaciones de fabricantes, al ser esta fuente de información la única en el medio para el alcance de los objetivos en la asignatura.

El proceso para la reconstrucción de rodillos de oruga se hace por medio de soldadura en arco sumergido y de acuerdo a los fundentes y alambres utilizados permite hasta el 90% de reconstrucción en las tolerancias del rodillo.

2. Procedimiento de soldadura (WPS)

Tipo De Proceso: Soldadura por arco sumergido (SAW) Mètodo De Aplicaciòn: Automática. Equipo Empleado:

• GECOLSA:

Equipo para soldadura automática, proceso SAW.

• BERCO:

Miller Maxtron 450 cc/ca, DC Inverter ARC Welder Voltaje: 38V Amperaje: 450ª Ciclo De Trabajo: 100% Voltaje Circuito Abierto: 80V Material Base: Acero AISI-SAE 1045.

Este material se supone, ya que en el medio se tiene muy poca información del material de fabricación de estos rodillos. Se sabe que es un acero de medio carbono al cual por medio de un temple por inducción, se logra incrementar el valor de dureza superficial a 42RC.

Espesor: 47.6 mm ( 1.8755in). Metal De Aporte:

• GECOLSA: Stoody 105B , diámetro: 3.2mm(1/8")(Recomendado por Caterpilar)
• BERCO: Lincore 40, diámetro : 3.2mm(1/8")(Recomendado por Caterpilar)

Fundente:

• GECOLSA: Stoody roll rite Tipo S (recomendado por Caterpilar).
• BERCO: LINCOLN 801 (recomendado por Caterpilar)

Precalentamiento: La temperatura de precalentamiento del rodillo cuando se suelda en aire a 20ºC debe ser de mínimo 200ºC. Esto se puede llevar a cabo por medio de un soplete o un hornillo.

Tratamiento termico post-soldadura: Después de terminar la reconstrucción desmontar el rodillo de la maquina y dejar enfriar bajo protección de corrientes de aire para evitar aumento de la rata de enfriamiento. (se recomienda dejar enfriar el rodillo en un baño de cal).

Caracteristicas Electricas Corriente: la corriente empleada es corriente directa de polaridad inversa . Esta puede variar entre 325 – 350 A VOLTAJE: 28 V Velocidad De Avance: De 35 a 40 in / min.

Procedimiento Detallado De Soldadura Para obtener el numero de pasadas, es necesario evaluar el desgaste para cada rodillo a reparar, el numero de pases será entonces el necesario para llegar a las dimensiones de trabajo de la pieza dependiendo del diámetro del electrodo. (ver Fig. 2 ).

Plano de la pieza: Fig 2 Dimensiones de la pieza Preparación Preparación de la ranura los bordes de los rodillos deben ser limpiados para quitar el moho, el aceite, agua y la suciedad pues estos contribuyen a la porosidad, a la fragilidad por hidrógeno y a la misma soldadura.

Instalación del rodillo en la máquina de soldar automática Se coloca el alambre de soldadura a 1 pulg. Del centro del rodillo en la dirección opuesta a la rotación. Si el alambre está muy cerca o muy lejos del centro del rodillo puede dar deformaciones al cordón de soldadura. Ver Fig.3.

3. Proceso

El proceso de soldadura por arco sumergido utiliza para fundir el metal base, el aporte y el fundente, un arco eléctrico formado entre el extremo del electrodo y la pieza a soldar; el electrodo es un alambre continuo enrollado en carretes. El extremo del electrodo, el arco y el charco de soldadura están sumergidos en un fundente granular, que, además, de protegerlos de la atmósfera, también limpia el metal fundido de elementos indeseables, aporta elementos desoxidantes y de aleación y es formador de escoria, ver figura 4. La AWS le asigno el nombre de SUBMERGED ARC WELDING, (SAW). La soldadura se aplica automáticamente en un equipo cuyo esquema se representa en la Figura 5.elementos: 1 Carrete con el electrodo enrollado. 2 Tolva con el fundente. 3 Motor para alimentar el electrodo. 4 Boquilla de contacto. 5 Cables para toma de voltaje (opcional, solo si se dispone de sensores para variar la longitud del arco). 6 cable para la masa. 7 Meta! base. 8 Aspiradora para el fundente que no se fundió. 9 Cables para la corriente de soldadura. 10 Controles de voltaje y de corriente: (a) Amperímetro, (b) Ajuste del voltaje en el arco. (c) Voltímetro, (d) Ajuste de la corriente de soldadura, (e) Control de la velocidad de avance, (f) Botón para avance del electrodo por pulsos, (g) Retroceso del electrodo, (h) Interruptor del proceso, (j) Arranque del proceso, (k) Contactor.

4. Material Base

El acero AISI-SAE 1045 es un acero simple de medio carbono. Composición química:

Carbono equivalente:

Para calcular el carbono equivalente se emplea la siguiente expresión, en la que todos los porcentajes son los mayores posibles.

De acuerdo con este carbono equivalente el material presenta características de soldabilidad baja, el cual se debe tener en cuenta para evitar problemas de agrietamiento.

5. Condiciones de servicio

El rodillo hace parte del tren de rodaje de una caterpillar D6, este como su nombre lo indica, es la pieza por donde deslizará la cadena, (ver figura 6). Por ser esta su función estos rodillos estarán sometidos a un constante desgaste debido al contacto metal-metal y los abrasivos presentes en el ambiente de trabajo como piedras, arena, etc. Los rodillos son diseñados de manera tal que su dureza superficial no exceda la dureza de las cadenas y así poder hacer mantenimiento de reconstrucción de estos sin el cambio de la cadena. Según estas condiciones los esfuerzos significativos a los cuales es sometido son los esfuerzos a compresión, por lo que las grietas producidas por los cambios térmicos no serán de tanta importancia, lo importante es entonces garantizar las propiedades mecánicas en la superficie de contacto. Una manera sencilla y que además es la que se aplica en el medio para evaluar estas propiedades es la dureza. El rodillo debe ser lo suficientemente duro para no desgastarse rápidamente sin llegar a exceder el valor de dureza de las cadenas. El valor de dureza superficial requerido es entonces de 42 HRc.

6. Justificación de variables

Equipo:

El equipo debe ser automático para tener control dimensional y en general buena eficiencia, debe ser también de polaridad inversa, es decir de electrodo positivo, la cual afecta el consumo del alambre. Si el alambre es de polaridad positiva la penetración es más grande. Si el alambre es de polaridad negativa la penetración es reducida. Esto indica que la polaridad del arco afecta la distribución del calor. El porcentaje de calor del 30% del arco está en el lado positivo y el 70% está en el lado negativo. Por lo tanto con el alambre en polaridad negativa el consumo del alambre se incrementa enormemente y la acumulación de calor se reduce. Muchas pruebas demuestran que el costo de la soldadura se puede aumentar hasta en un 25% con la polaridad negativa del alambre.

Por esta razón se elige electrodo positivo. Metal de aporte: En la reconstrucción por soldadura de elementos como los rodillos de la oruga, la dureza y la resistencia al desgaste se obtiene por la alta concentración de aleantes en la superficie depositada por soldadura. En la soldadura por arco sumergido, el arco es cubierto por un material fundible y granular llamado "fundente" el cual es usado como escudo (proteger) del arco y del metal fundido para las impurezas y la contaminación. Mientras el costo de los materiales se disminuye usando un fundente aleado, el uso de un fundente aleado y alambre neutro no se recomienda. Al usar un fundente aleado se causa variación en la dureza del depósito ya que la concentración de aleación es difícil de controlar. Adicionar la aleación usando un alambre aleado y un fundente neutral produce mejores resultados; este es el método recomendado por Caterpillar.

Temperatura de precalentamiento: La mínima temperatura de precalentamiento y la temperatura entre pases, es seleccionada principalmente para prevenir el agrietamiento y evitar distorsiones, esta es función de:

• Composición química del material base, alambre y fundente.
• Contenido de H2 depositado en el metal fundido.
• Esfuerzos a través de la soldadura.

Con el precalentamiento, se puede inhibir total o parcialmente la formación de martensita y hacer mas baja la rata de enfriamiento. Otra manera de prevenir el agrietamiento es el uso de alambres y fundentes que produzcan una aleación de acero en estado austenitico, además como los esfuerzos a los que esta sometido el rodillo son de compresión, no es necesario ser muy estricto en el control de estas grietas como si lo seria si estuviera sometido a esfuerzos de tracción. Se llega entonces a la composición química del material base como una variable importante en la determinación de micoestructuras, problemas de agrietamiento y distorsión. Se tienen tres métodos para la elección de la temperatura de precalentamiento según estos parámetros analizados así:

• Dos de ellos corresponden a métodos gráficos teóricos.
• El tercero es usando directamente la recomendación del fabricante CATERPILLAR.

Método grafico 1: de acuerdo al contenido de carbono del material base, el espesor y si la mezcla alambre-fundente es baja o alta en H2 así: espesor, t: 1,875 %C : 0.5 la mezcla alambre-fundente debe ser baja en hidrógeno para aceros con contenido de carbono >= 0.5% según la Fig. 7, se tiene que la temperatura de precalentamiento es aproximadamente 450ºF. Método grafico 2: Con la figura 8 y de acuerdo al porcentaje de carbono y el espesor t, se obtiene directamente la temperatura así:

del método grafico 1 y el método grafico 2 se elige una temperatura ligeramente menor ya que las graficas están hechas para SMAW y el precalentamiento y postcalentamiento en SAW, son menos requeridos debido principalmente a dos factores:

• La alta entrada de calor y alta rata de deposición, un área mas grande calentada, por consecuencia la rata de enfriamiento es mas baja, la probabilidad de templado es mas baja.
• La capa de fundente ayuda a retardar el enfriamiento.

Luego se escoge una temperatura de Precalentamiento de 400 F o 205 ºC. Esta misma temperatura se debe conservar entre pases

Agrietamiento A parte del precalentamiento, se tiene que tener un control en la fusión de la soldadura. Los cordones de la soldadura que cambian rápidamente en la anchura o que muestran muescas en los bordes debido a la técnica, tienden a agrietarse transversalmente en las muescas las cuales son canalizaciones verticales que aumentan la tensión. Si el cordón de soldadura es excesivamente convexo, el agrietamiento de la superficie ocurre. El agrietamiento puede ser evitado soldando tantas piezas como sean posibles, evitando el enfriamiento a temperatura ambiente.

Voltaje El voltaje del arco determina la anchura o la forma del cordón de soldadura y tiene cierto efecto moderado en la penetración de la soldadura. También un aumento del voltaje cambia las características químicas y metalúrgicas del depósito por que el "soplo del arco" causa pérdidas de ciertas aleaciones. Pues el voltaje del arco también agrega calor a la pieza y la corriente más baja da el contorno adecuado al cordón. El voltaje apropiado es entonces el recomendado por caterpillar para este tamaño de piezas, la cual esta dado por el modelo del tractor y es de 28 V , ver Fig. 9.

Corriente

La corriente o el amperaje determina la penetración de la soldadura y tiene un efecto mayor en costos de depósito que el voltaje. Al aumentar la corriente aumenta el material depositado y por ende el costo pero no se adiciona mucho calor de entrada, disminuyendo la rata de enfriamiento. De acuerdo al diámetro del alambre se recomienda un rango de corriente como se muestra en la Fig. 10. o mas especifico, según recomendación de caterpillar, Fig. 9. Para reducir al mínimo la contracción del rodillo (Diámetro interior), el rodillo se debe alejar de la entrada de calor excesiva. Esto se puede lograr controlando de manera efectiva el voltaje y la corriente y permitiendo la evacuación de calor entre pasadas.

Velocidad De Soldadura La velocidad de recorrido tiene un efecto en la penetración y la anchura del grano. Si se dobla la velocidad, la anchura del cordón y la penetración se reducen a la mitad. La penetración se reduce porque se reduce el tiempo y se reduce la anchura del cordón porque la misma cantidad de alambre se extiende por una mayor longitud del trabajo La velocidad se presenta en la Fig. 9 para un tractor D6.

7. Recomendaciones y observaciones en los procedimientos estudiados.

El procedimiento descrito en el numeral 1. es el adecuado para este tipo de piezas, se debe tener en cuenta que este se realizo bajo la suposición de un material base, por lo que si se quiere mas exactitud en el procedimiento, se deben hacer pruebas al material.

• GECOLSA

Valores de corriente, voltaje y velocidad: no aplica. Demasiado empírico el desarrollo del procedimiento, se detectaron algunas fallas a saber:

• en primer lugar, No se conoce marca, ni procedencia del equipo que se utiliza. No muestra valores exactos de variables que maneja el soldador, como ejemplo de lo antes mencionado el soldador con el amperaje regula la velocidad de alimentación del fundente. Este equipo ha sido modificado por los operarios, buscando facilitar su utilización, no tiene ningún tipo de control de variables y por lo tanto el rendimiento depende de la habilidad y experiencia del operario.

Es un equipo obsoleto cuyo funcionamiento depende única y exclusivamente de un operario, ya que sus perillas de control de voltaje, corriente, etc. no funcionan correctamente, estos valores son obtenidos "a ojo", por la experiencia de dicho operario en este proceso, lo cual no garantiza ningún control sobre las variables mas importantes en SAW como corriente, voltaje, velocidad de alimentación, induciendo posibles errores en la obtención de la calidad de las soldaduras.

• Además de este problema, el control de precalentamiento se hace bajo la intuición del operario, quien dice saber cuando esta a mas o menos 300ºC y el tratamiento post soldadura, tampoco es el adecuado.
• Otro problema, y tal vez uno de los mas graves es la utilización de mezcla de fundente, Utilizan combinación de fundentes en proporciones no especificadas, obtenidas por la investigación empírica del mismo operario y de las cuales no se obtuvo mayor información, lo único que se sabe es que el fundente que ingresa nuevo es casi nulo, se tienen por lo menos cuatro diferentes fundentes mezclados hasta con el polvo y la arena propias de la planta y del proceso en si.

A pesar de este tipo de fallas, el producto presenta bajos rechazos en servicio. La recomendación es la de no mezclar los fundentes, tener el equipo en perfectas condiciones, en las cuales se permita controlar las variables y seguir las recomendaciones hechas por caterpillar, las cuales son validas dentro de las teorías de soldadura; el alambre utilizado en Gecolsa es un STOODY 105B, el cual es recomendado y da excelentes características usándolo con el fundente adecuado. Ver Fig. 11, además se pueden usar los alambres mostrados en la Fig. 12. con sus respectivos fundentes. El alambre STOODY 105 B, el cual es un alambre aleado, con fundente rollrite o stoody S da excelentes propiedades a la abrasión, para un acero simple al carbono de aproximadamente 0.4 %C produce 45 HRc. Ver Fig. 11. Este alambre es el adecuado. El fundente es el que recomienda el fabricante pero no se tiene información sobre este. Las propiedades mecánicas del depósito dependen en este caso del alambre, por ser aleado.

• BERCO

Al igual que en Gecolsa, el procedimiento es muy superficial, no se tiene un conocimiento claro de las variables y como afectan estas las propiedades, calidad y costos en la reparación de la pieza, de pronto algún interés se tiene en el alambre, pero igual no hay mucha claridad. *Valores de corriente, voltaje y velocidad: Corriente: 230-248 A. Voltaje: 24.5-25.3 V. Velocidad: se desconoce unidades en el equipo. *Precalentamiento: ninguno, se empieza a Temperatura ambiente. *Tratamiento post soldadura: no aplica. *Preparación: no hubo datos sobre este parámetro *Alambre utilizado: WA61, diámetro: 2.4mm(3/32") (EM 12K según la clasificación AWS). *Fundente utilizado: H535 duro H780 blando Estos fundentes son Lincon, se encuentra muy poca información de estos. Las propiedades mecánicas del depósito dependen en este caso del fundente, se emplean dos fundentes de acuerdo a la magnitud del desgaste, si es muy severo se debe aplicar un colchón blando con el fundente H780, perteneciente a la serie F7xx (AWS) y luego unas cuantas capas duras con el fundente H535 que, "al combinarse con alambre L61 crea un depósito de ferrita y martensita apto para dar resistencia al desgaste metal-metal. Este deposito es maquinable y soldable".

Las posibles fallas o variables a mejoras pueden ser:

• En esta empresa, no se conocen datos de precalentamiento, se debe precalentar este tipo de piezas y tratar posteriormente como indica el procedimiento en el numeral 1 para evitar formación de grietas y posibles distorsiones.
• Se debe aprovechar el buen funcionamiento de la maquina, esta se debe operar bajo las características eléctricas especificadas en el numeral 1.8, se nota como estos valores son superiores a los usados (corriente y voltaje). Se deben manejar dentro de los rangos especificados, y saber las unidades de la velocidad para poder aplicarla igualmente, la corriente se puede aumentar, lo mismo que el voltaje.
• La preparación del rodillo también es importante, se debe limpiar muy bien y montar como lo especifica la Fig. 3.
• Pueden usarse alambres de diámetro un poco mayor, para tener mayor deposito, y realizar las reparaciones en un menor tiempo, de acuerdo a la Fig.13.
• Empezada a reconstruir una pieza, no se debe parar hasta tanto no se termine en su totalidad, ya que si se para y comienza el proceso repetidamente, se pueden crear distorsiones que afecten las dimensiones e induzcan grietas en las zonas de trabajo.
• Empezar a realizar procedimientos similares a este para tener una historia en la empresa de todo lo que se hace referente a reconstrucciones, asi se puede agilizar la producción y realizarse con mas técnica y por ende mas calidad, teniendo claro las variables que intervienen y como lo hacen para igualmente empezar a optimizar el proceso.

8. Sugerencias y recomendaciones generales.

Puede verse que ambas en empresas no se tiene un conocimiento profundo del proceso, las variables que implica, como manipularlas para sacar el mayor COSTO-BENEFICIO y a su vez hacer una buena ingeniería que aporte progreso para nuestro medio con clientes satisfechos.

Se nota también una gran diferencia en cuanto a consumibles en ambas empresas, mientras que en Berco usan un alambre simple al carbono y las propiedades dependen del fundente, en Gecolsa usan un alambre aleado que será el encargado de dar las propiedades mecánicas al depósito, una recomendación general es realizar un estudio de costos de ambos consumibles, ya que si se aplican como se especifica en este procedimiento producen propiedades mecánicas similares, y evaluar cual de los dos es mas económico para pensar en un eventual cambio que permita rebajar costos de producción y así poder aumentar utilidades o bien competir con precios y a la vez calidad en el mercado de las reconstrucciones.} También existe la posibilidad de estudiar costos de otros consumibles, como los presentados en la Fig. 12, siempre y cuando sean fáciles de conseguir en el mercado y se sigan todas las suposiciones y recomendaciones de los catálogos empleados.

Solo queda pensar en como seria la calidad, producción, utilidades y resultados obtenids si se realiza un procedimiento riguroso, si se conoce todas las variables y se saben manipular sabiendo que asi sin prestar mucha atención a ello, el proceso funciona bien.

9. Bibliografía

• METALS HANDBOOK. Ninth edition. Volumen 6. Soldadura, Brazing y Soldering.
• RECONDITIONING BULLETIN UNDERCARRIAGE CATERPILLAR
• STOODY. THE REBUILDING AND HARD-FACING OF EARTH-MOVING EQUIPMENT
• THE SUMERGED ARC PROCESS. Lincoln
• TABARES. Efraín. Ingeniería de soldadura. Universidad Nacional de Colombia.
• VISITAS Y RECOPILACIÓN MATERIAL BIBLIOGRAFICO EN MONSALVE ESCOBAR Y CIA LTDA. DISTRIBUIDOR BERCO.
• VISITAS Y RECOPILACIÓN MATERIAL BIBLIOGRAFICO EN GECOLSA. DISTRIBUIDOR CATERPILLAR.
• VISITAS Y RECOPILACIÓN MATERIAL BIBLIOGRAFICO EN ELECTROMANUFACTURAS S.A. WEST ARCO.

Autor:

Maria Adelaida Gòmez Mejìa 9803876 Juan Carlos Pinilla 9606241 Santiago Cardona Munera 9701263

Universidad Nacional De Colombia Sede medellín Agosto 9- 2002