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

Indice
1.
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