Agradecimientos A la Industria Venezolana de Remolques Orinoco (IVROCA) por permitir el uso de sus instalaciones, herramientas y material para la realización de este trabajo. Al taller de tornería Giovi por permitir el uso de su maquinaria e instalaciones para la realización de los ensayos de resistencia de doblado. Resumen El objetivo de este trabajo fue estudiar el efecto de algunas variables sobre la resistencia de la soldadura en láminas de acero. Para ello se determinó del efecto de usar bisel en V y sin hacerle bisel a láminas de acero A−36 de 6mm, soldándolas con soldadura de arco eléctrico con electrodos E6013 y E7018, a intensidades de corriente de 123 Amp y 155 Amp. Igualmente se estudiaron láminas de 14mm de acero A−36, usando bisel en X y en V, con los mismos tipos de electrodo del grupo de 6mm, e intensidades de corriente de 123 Amp y 187 Amp. En ambos espesores de láminas, se soldaron las muestras haciendo varios grupos alterando cada variable a la vez (intensidad de corriente, tipo de bisel y tipo de electrodo). Luego de soldadas todas las muestras se cortaron probetas con una segueta hidráulica, con el fin de determinar la resistencia de la soldadura en cada caso. Los resultados obtenidos fueron que para ambos tipos de espesores, el electrodo E7018 permitió obtener mayor resistencia al doblado, por su mejor penetrabilidad que el electrodo E6013. Las intensidades de corriente bajas dieron mejores resultados de resistencias que las altas, en todas las condiciones ensayadas; el bisel en X produjo más resistencia que el bisel en V en las muestras de 14mm y el bisel en V mejor que sin bisel en las muestras de 6mm Índice Introducción Objetivos. Problema Hipótesis. Variables Marco Teórico. Antecedentes.. Metodología. Resultados 1

Discusión de resultados. Conclusiones. Glosario. Bibliografía Introducción. Se llama soldadura al proceso en el que se unen dos metales mediante una fusión localizada, producida por un arco eléctrico entre un electrodo metálico y el metal base que se desea unir. El electrodo consiste en un núcleo o varilla metálica, rodeada por una capa de revestimiento, donde el núcleo es transferido hacia el metal base a través de una zona eléctrica generada por la corriente de soldadura. Existen numerosos tipos de soldadura; entre los más comunes están: soldadura por arco, soldadura a gas, soldadura por puntos, soldadura por plasma, etc. El tipo de soldadura más comúnmente empleado es la soldadura por arco, debido a su fácil modo de aplicación y su bajo costo comparado con otros tipos de soldadura. La soldadura por arco consiste en sujetar un cable de tierra a la pieza de trabajo que se desea soldar y al acercar el electrodo a ésta se forma un arco eléctrico que permite que se funda el electrodo y la pieza a soldar, luego se mueve el electrodo a lo largo de la zona que se desea unir dejando suficiente tiempo para que el calor del arco funda el metal. Actualmente en las empresas metalmecánicas la soldadura es una de las herramientas de trabajo más ampliamente usada y más importante para la elaboración de piezas, especialmente aquéllas sometidas a alta exigencia de carga pesada. El conocimiento de los parámetros que intervienen en la soldadura es muy importante para la aplicación adecuada de ésta, de manera de garantizar la calidad y la resistencia necesarias para el trabajo a que serán sometidas las piezas construidas empleando este procedimiento. El presente trabajo estudia el efecto de algunos de estos parámetros sobre la calidad de piezas de acero A36 unidas con soldadura manual de arco eléctrico. Objetivo general: Comparar la resistencia de la soldadura aplicada para unir láminas de acero al carbono de 6 mm y 14 mm de espesor, con dos tipos de electrodos (6013 y 7018), con distinta intensidad de corriente y con diferentes formas de preparación de la zona de unión. Objetivos específicos: • Determinar el esfuerzo (Psi) necesaria para doblar y/o romper la zona soldada de dos láminas de 6 mm bajo las condiciones: 1− Tipo de electrodo: 6013 1.1 − Sin bisel y con una intensidad de corriente comprendida entre 125 y 150 amperios.

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1.2 − Sin bisel y con una intensidad de corriente comprendida entre 150 y 225 amperios. 1.3 − Con bisel en V y con una intensidad de corriente comprendida entre 125 y 150 amperios. 1.4 − Con bisel en V y con una intensidad de corriente comprendida entre 150 y 225 amperios. 2 − Tipo de electrodo: 7018 2.1 − Sin bisel y con una intensidad de corriente comprendida entre 125 y 150 amperios. 2.2 − Sin bisel y con una intensidad de corriente comprendida entre 150 y 225 amperios. 2.3 − Con bisel en V y con una intensidad de corriente comprendida entre 125 y 150 amperios. 2.4 − Con bisel en V y con una intensidad de corriente comprendida entre 150 y 225 amperios. • Determinar el esfuerzo (Psi) necesaria para doblar y/o romper la zona soldada de dos láminas de 14 mm bajo las condiciones: 1 − Tipo de electrodo: 6013 1.1 − Con bisel en X y con una intensidad de corriente comprendida entre 125 y 150 amperios. 1.2 − Con bisel en X y con una intensidad de corriente comprendida entre 150 y 225 amperios. 1.3 − Con bisel en V y con una intensidad de corriente comprendida entre 125 y 150 amperios. 1.4 − Con bisel en V y con una intensidad de corriente comprendida .entre 150 y 225 amperios. 2 − Tipo de electrodo: 7018 2.1 − Con bisel en X y con una intensidad de corriente comprendida entre 125 y 150 amperios. 2.2 − Con bisel en X y con una intensidad de corriente comprendida entre 150 y 225 amperios. 2.3 − Con bisel en V y con una intensidad de corriente comprendida entre 125 y 150 amperios. 2.4 − Con bisel en V y con una intensidad de corriente comprendida .entre 150 y 225 amperios. Problema. ¿Es posible establecer las condiciones óptimas de preparación de la superficie de unión, intensidad de corriente aplicada y tipo de electrodo que permitan la máxima resistencia de la soldadura al menor costo y tiempo invertido? Justificación El presente proyecto fue planteado por la empresa IVROCA, fabricante de remolques de carga pesada, con el objeto de ampliar el área de investigación en sus procesos operativos. La correcta aplicación del procedimiento de soldadura garantiza el funcionamiento adecuado de equipos y maquinarias, que son elaborados mediante la unión de láminas metálicas de diferentes longitudes. 3

La fabricación de remolques para camiones de carga pesada, fabricados mediante la unión de láminas de acero por diferentes técnicas de soldadura, es un área de la ingeniería en la que es indispensable lograr los parámetros operativos necesarios que garanticen la resistencia del producto elaborado al someterlo a las condiciones de trabajo requeridas. La optimización de estos parámetros operativos en las líneas de producción es necesaria para lograr la mayor eficiencia posible al menor costo económico y de tiempo. Es por ello que resulta de interés establecer cuáles son las mejores condiciones con las que se debe aplicar la soldadura de láminas de acero que conformarán piezas o partes de este tipo de vehículos, de manera que no fallen por rupturas o grietas durante su uso. Hipótesis. Las láminas soldadas con electrodos de mayor penetración (7018), con mayor intensidad de corriente y biseladas en X, en el espesor de 14 mm, deben presentar la mayor resistencia en el ensayo de doblado, mientras que en el espesor de 6 mm, la mayor resistencia se obtendrá con el electrodo 6013, la menor intensidad de corriente y el biselado en V. Variables. Independientes: Espesor de las láminas de acero. Tipo de electrodo. Formas de preparación de los bordes a unir. Intensidad de corriente. Intervinientes: Composición química de las láminas de acero. Cantidad de soldadura aplicada. Condiciones de almacenamiento de los electrodos. Dependientes: Calidad del electrodo. Apreciación de la prensa hidráulica para realizar los ensayos de resistencia. Marco teórico ¿Qué es Soldadura? Se le llama soldadura a la unión de dos materiales (generalmente metales o termoplásticos) usualmente logrado a través de un proceso de fusión en el cual las piezas son soldadas derritiendo ambas y agregando metal o plástico derretido para conseguir un cordón (punto de soldadura) que al enfriarse forma una unión fuerte (Edwards y Endean, 1990).

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La energía necesaria para formar la unión entre dos piezas de metal generalmente proviene de un arco eléctrico, pero la soldadura puede ser lograda mediante rayos láser, rayos de electrones, procesos de fricción o ultrasonido. Normalmente se suelda en ambientes industriales pero también se puede hacer al aire libre, debajo del agua o en el espacio. Es un proceso que debe realizarse siguiendo normas de seguridad por los riesgos de quemadura, intoxicación con gases y otros riesgos derivados de la luz ultravioleta. Reseña histórica. La soldadura ha sido practicada desde que la humanidad aprendió a trabajar los metales. Originalmente, los metales eran soldados a fuerza de golpes, y los soldadores eran respetados artesanos. La soldadura eléctrica fue inventada a principio de los 1800s, en plena revolución industrial. Era considerado un proceso crudo, sucio y primitivo, en el que el único requisito era derretir un poco de metal entre dos piezas de manera que éstas se unieran. Este crudo proceso, sin embargo, demostró ser tan económico y eficiente que su uso se fue propagando a aplicaciones crecientes. Hoy en día, a comienzos del siglo XXI, la soldadura es considerada una ciencia. Es uno de los más complejos procesos industriales, pues involucra física de plasmas, flujo de fluidos, teoría de electromagnetismo, robótica, metalurgia, ingeniería eléctrica, electrónica y mecánica. Muchos de estos aspectos actúan simultáneamente cada vez que un soldador comienza su cordón de soldadura. Esta es la razón por la que la educación de ingenieros en soldadura capaces de combinar todas estas ciencias, es una prioridad en todos los países de economía avanzada. Tipos de soldadura en metales. Existe un gran número de procedimientos para soldar piezas metálicas, sin embargo, hay tres principios generales aplicables a todos los procedimientos. Estos son: • Aplicación de calor intenso en la zona donde se formará la unión con el objeto de fundir un pequeño volumen de material. • El calor se aplica el tiempo suficiente para permitir que se mezclen los líquidos provenientes de las dos o más piezas a ser unidas. Esta mezcla puede ser directa, cuando solamente se mezclan los materiales de las piezas a unir, o indirecta cuando el material de las piezas se mezcla con material de relleno para formar la unión. • Cuando la mezcla se deja enfriar y solidificar, se establece una unión metalúrgica entre las piezas. Debido a que esta unión es fundamentalmente el producto de la mezcla de los materiales de las piezas, tiene la potencialidad de exhibir las mismas propiedades mecánicas que posean las piezas. En otras palabras, las propiedades del material base pueden ser reproducidas en la zona de unión Edwards y Endean, 1990). Los tipos de soldaduras en metales se clasifican fundamentalmente por el método que se emplea para aplicar calor a las piezas a unir. Los más comúnmente usados en las industrias metalmecánicas son: Soldadura manual por Arco Eléctrico. En este tipo de soldadura, el calor intenso necesario para fundir el metal es producido por un arco eléctrico. El arco se forma entre la pieza de trabajo y un electrodo que se desplaza de forma manual o automática a lo largo de la zona a ser unida (también es posible desplazar la pieza de trabajo y mantener el electrodo estacionario). El electrodo puede consistir en una varilla de carbono o tungsteno, en cuyo caso su única función es conducir la corriente y mantener un arco eléctrico entre su punta y la pieza de trabajo. También es posible tener un electrodo metálico preparado de manera especial, de tal forma que conduzca la corriente y mantenga el arco al mismo tiempo que se funde para proveer metal de relleno a la unión (Manual Arco Metal, 1996). En nuestro medio, la mayoría de los procesos de soldadura utilizados para fabricar piezas de acero usan el segundo tipo de electrodo. 5

El circuito básico de soldadura se muestra en la figura I. Este consiste en una fuente de poder (máquina de soldar) de corriente alterna (AC) o directa (DC), un cable de tierra que se conecta a la pieza de trabajo, y un cable que se conecta al porta electrodo adecuado. Este porta electrodo permite realizar el contacto eléctrico entre el cable y el electrodo, proporcionando al mismo tiempo un agarradero eléctricamente aislado para manipular al electrodo. Figura I Cuando el circuito se energiza, con la punta del electrodo se toca la pieza de trabajo y luego se separa ligeramente de ésta manteniéndola muy cerca del punto de contacto. Con esto se genera un arco eléctrico entre la punta del electrodo y la pieza. Este arco produce una temperatura superior a los 3590ºC en la punta del electrodo, temperatura adecuada para fundir la mayoría de los metales. El calor producido funde el metal base cercano al arco eléctrico y cualquier metal de relleno suministrado por el electrodo mismo o por otros medios adecuados. En el proceso se forma un pozo de metal fundido, el cual es una mezcla de metal base y metal de aporte. Este pozo solidifica atrás del electrodo a medida que éste se desplaza por el metal base. El resultado es una unión metalúrgica por fusión entre las piezas de trabajo (Edwards y Endean, 1990). Soldadura con gas (autógenas). Son las que se realizan por presión, y en ellas el calor se aporta quemando un gas combustible (acetileno). Este se mezcla con oxígeno en un soplete se soldar, atraviesa la boquilla y se quema al salir de ella. La combustión del acetileno se realiza en varias fases y la llama se puede ajustar para darle un carácter reductor, neutro u oxidante. Soldadura por forja. Se realiza calentando las piezas a soldar hasta acercarse a la temperatura de fusión y luego forjándolas juntas por medio de presión (en una prensa) o con un martillo (manual). Para facilitar la unión de aceros y algunos metales no férreos se han desarrollado modificaciones de la soldadura por forja con calentamiento con gas. Soldadura Dura. Se define la soldadura dura como la unión de un metal de aporte no ferroso (aleaciones de cobre, plata, aluminio etc.), de punto de fusión superior a los 450ºC, pero inferior al correspondiente a las piezas que se van a unir. El metal que se suelda no funde, y la unión se realiza por el mojado que produce el metal de aporte fundido, y la consiguiente formación de aleaciones. El calentamiento puede realizarse por distintos procedimientos: Soplete de gas, hornos, con bobina de inducción, por inmersión en un metal líquido o por resistencia eléctrica. Funciones del arco eléctrico. La unión de metales por medio del calor generado por un arco eléctrico requiere más que el simple movimiento del electrodo con respecto a la pieza de trabajo. Los metales a elevada temperatura son sumamente reactivos químicamente con los principales constituyentes del aire (oxígeno y nitrógeno). Si el metal líquido en el pozo entrara en contacto con estos componentes, se formarían óxidos y nitratos, los cuales al solidificar dentro del pozo metálico destruirían la resistencia mecánica y la tenacidad de la unión. Por esta razón, todos los procesos de soldadura con arco proveen un mecanismo de protección para el arco y el pozo fundido por medio de un gas protector o recubrimiento adecuados. La protección del arco puede lograrse por medio de varias técnicas. Cualquiera que sea el método de protección, la intención es proveer una atmósfera de gas inerte, vapor o escoria que evite o minimice el contacto del metal fundido o caliente con el medio ambiente (Manual Arco Metal, 1996). 6

En la figura II se muestra el proceso de soldadura usando un electrodo con recubrimiento, el cual es el más comúnmente usado en los procesos de soldadura manual. El recubrimiento del electrodo se descompone en un gas inerte con el calor del arco eléctrico. Este gas evita el contacto del metal fundido con el medio ambiente. El recubrimiento también posee ingredientes que reaccionan con óxidos o sales que pudieran existir en el metal base. Estas sustancias dañinas son unidas químicamente a los ingredientes del recubrimiento formando una escoria que posee una densidad menor que la del metal líquido. La escoria flota hacia la superficie del pozo, y solidifica sobre la unión formada antes que solidifique el metal. En el estado sólido, esta escoria tiene una función protectora, ya que minimiza el contacto entre el metal caliente (propenso a oxidarse debido a la elevada temperatura) y el medio ambiente hasta un punto en el cual la reactividad del metal con el aire se reduce. Figura II Electrodo. Consiste en una varilla o núcleo metálico, rodeado por una capa de revestimiento de material fundente; el núcleo aporta material a la zona de unión que se desea soldar, o material base, al fundirse con el calor producido por la corriente eléctrica de soldadura. La capa de revestimiento o material fundente cumple dos funciones: primero, actúa facilitando la fusión del metal de la varilla, y segundo, favorece la formación de la capa de escoria que protegerá de la oxidación a alta temperatura al cordón de soldadura (Ramírez, 2000). El proceso de soldadura manual utiliza electrodos especialmente preparados, los cuales deben cumplir requisitos técnicos impuestos por la AWS (American Welding Society). Debido a la gran cantidad de electrodos disponibles en el mercado, es necesario establecer una clasificación para ellos. La clasificación de los electrodos para aceros al carbono y de baja aleación utiliza un código alfanumérico, como por ejemplo, E6013. En estos códigos la letra E significa que es un electrodo. Los dos o tres primeros dígitos indican (en miles de Psi) la mínima resistencia a la tracción que debe tener el metal depositado por el electrodo. El tercer o cuarto dígito indica la posición de soldadura para la cual es apto el electrodo. El último dígito indica el tipo de revestimiento, corriente y polaridad a utilizar. Las características técnicas de los dos tipos de electrodos que se usaron en este trabajo son las siguientes: Electrodo E6013 Posiciones: plana, horizontal, vertical, sobre cabeza. Corriente: alterna o continúa, polo negativo. Características: electrodo apropiado para la soldadura en aceros generales, absolutamente sin poros. Poca salpicadura, fácil eliminación de la escoria y dibujo liso en la costura, ideal para soldadura de puntos. Aplicación: ángulo, viguetas, tuberías, canales de hierro, acero de estructura, acero de grano fino, etc. E Electrodo 60 Resistencia a la tracción: 60mil PSI. 1 Posición de soldeo: Plana, horizontal, vertical, sobre cabeza.

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Tipo de revestimiento: Rutilo con Potasio. 3 Corriente: alterna o contínua Polaridad: negativa Electrodo E7018 Posiciones: plana, horizontal, vertical, sobre cabeza. Corriente: alterna o continúa, polo negativo. Características: arco estable, poca salpicadura, cordón uniforme en uniones en ángulos horizontales y soldadura ascendente. Aplicación: aceros de construcción generales, aceros navales, acero para calderas, tuberías, fundición de acero, aceros al carbono, aceros resistentes al envejecimiento, aceros resistentes al frío, aceros con un alto porcentaje de carbono, fósforo y/o azufre. E Electrodo 70 Resistencia a la tracción: 70mil PSI 1 Posición de soldeo: Plana, horizontal, vertical, sobre cabeza. Tipo de revestimiento: bajo hidrógeno con polvo de hierro. 8 Corriente: alterna o contínua. Polaridad: positiva. Los electrodos para soldadura manual se fabrican en diámetros que van desde 1/16'' hasta 5/16''. El diámetro del electrodo a escoger depende fundamentalmente del tipo de unión, y de la cantidad de material de aporte que se necesite depositar en la unión por unidad de tiempo. Fundentes. Fundente es el nombre metalúrgico que reciben algunos materiales con capacidad de acelerar la fundición de los metales cuando son calentados (Ramírez, 2000). El objetivo de los fundentes, como ya se ha mencionado, es remover y eliminar los óxidos y otras impurezas de las áreas y juntas expuestas a la acción de la soldadura y favorecer la fusión del material de aporte. Un buen fundente debe reunir varias cualidades de efectividad. Entre ellas: • Provocar una superficie apta para ser soldada. • Proteger el área a soldar, eliminando los óxidos que se forman en el proceso. • Poseer un punto de fusión más bajo o similar al material de aporte. Posiciones de soldadura. Se refiere a la posición de trabajo en la cual debe efectuarse la soldadura, de acuerdo al sitio en el que se 8

encuentran las piezas que deben ser soldadas. En cada caso existe un electrodo adecuado para esa posición, el cual es capaz de generar un cordón de soldadura satisfactorio. La figura III muestra las distintas posiciones de las piezas de metal unidas mediante soldadura, y la posición en la que el electrodo se usó. Figura III Factores que intervienen en la calidad de la soldadura. La calidad de una soldadura, como producto final, depende de diversos factores, que intervienen durante todo el proceso de soldar. Entre los aspectos que caracterizan a una soldadura de buena calidad, deben considerarse: • La firmeza o adhesión de la soldadura en la superficie de unión. • El sellado, que debe ser compacto y exento de porosidad. • El acabado final, el cual debe ser homogéneo y libre de aglomeraciones. • La resistencia a la tensión a la que puedan estar sometidas las piezas unidas. Los principales factores que influyen sobre la calidad de la soldadura son: • Presencia de escoria en la superficie de la junta. Ocurre cuando hay que depositar varios cordones de soldadura para formar la unión. Cuando la escoria queda atrapada dentro del pozo en vez de flotar a la superficie, genera inclusiones que degradan la resistencia mecánica de la unión. • Separación de las piezas a soldar demasiado grande. Cuando esto ocurre, el cordón de soldadura que debe fabricarse es demasiado ancho. • Movimiento errático del electrodo. Cuando esto ocurre, puede suceder que en ciertas zonas del cordón no exista calor por tiempo suficiente, y el metal del pozo solidifique antes que la escoria pueda llegar a la superficie. • Porosidad. Consiste en pequeños agujeros o burbujas que quedan en el interior del cordón de soldadura cuando éste solidifica. Los poros pueden formarse en una soldadura debido a lo siguiente: • Contaminación de la superficie del metal por óxidos, grasas, humedad o suciedad. • Presencia de hidrógeno debido a excesiva humedad del recubrimiento del electrodo. • Excesiva corriente eléctrica. Esto genera calor excesivo, el cual puede vaporizar diversos compuestos cercanos a la zona de unión, los cuales quedan atrapados dentro del cordón. • Rapidez de avance del electrodo excesiva. Si el electrodo se desplaza demasiado rápido, el metal solidifica antes que los gases que se formen puedan escapar hacia la superficie. • Socavación. Cuando no se aplica suficiente material de aporte, o cuando éste se aplica incorrectamente, el cordón queda solo parcialmente lleno. También puede ocurrir cuando el tamaño del electrodo o su ángulo sean incorrectos. • Fusión incompleta. En este caso el material de aporte no llena completamente el espacio entre las piezas a unir. Puede ser causado por: • Excesiva velocidad del electrodo, por lo que el metal de aporte se enfría antes de poder llenar el espacio entre las piezas. • Diámetro del electrodo inadecuado. • Corriente de soldadura insuficiente. • Junta mal preparada. Control de calidad de la soldadura. Un cordón de soldadura debe ser capaz de soportar los esfuerzos para los que ha sido diseñado. Obviamente 9

es necesario realizar pruebas de esfuerzo para verificar si realmente la soldadura satisface los requerimientos deseados. Para controlar la calidad durante el proceso y no alterar significativamente la integridad de la pieza se usan pruebas no destructivas, como son: inspección visual, uso de líquidos penetrantes, radiografías, ultrasonido, etc. (Welding Handbook, 1991). Sin embargo, estos procedimientos no siempre son aplicables directamente en el área de trabajo, por lo que suelen realizarse pruebas con muestras pequeñas del metal soldado, o con pequeñas porciones de estas muestras, conocidas como probetas, a las que se les realizan los ensayos destructivos, tales como el de tracción, doblado, etc. Las probetas son una muestra representativa del proceso, y reproducen las condiciones a las que fue sometida la pieza principal. Los principales ensayos mecánicos miden las propiedades de las piezas soldadas. El comportamiento mecánico de un material es el reflejo de la relación entre su respuesta o deformación ante una fuerza o carga aplicada. Ensayo de doblado. Es usado para determinar la rigidez, la soldabilidad y la ductilidad de una unión soldada en metales. Consiste en doblar una probeta que contenga la unión soldada, hasta completar los 180º de doblez. Para ello, se utiliza una herramienta de doblado (figura IV) que se monta en una prensa que sea capaz de aplicar la fuerza necesaria para deformar la probeta. Esta prensa tiene un indicador de la fuerza ejercida durante el ensayo. La herramienta tiene que ser adaptada al espesor de la probeta que se desea ensayar, en cuanto al radio del mandril de doblado y a la abertura de la base de la herramienta. Este ensayo es cualitativo, pues aunque se puede obtener un valor de resistencia al doblado, por el esfuerzo reflejado al doblar la probeta, no se obtienen valores para la ductilidad, la soldabilidad ni la rigidez del material ensayado. La interpretación que se da al ensayo, es que si la probeta es capaz de soportar el doblado que se le ejerce, sin presentar ninguna falla, las propiedades mencionadas serán adecuadas para el uso que se le dará a la pieza. Otros ensayos usados para evaluar las propiedades mecánicas de los materiales son: • Ensayo de tracción: Uno de los ensayos más ampliamente utilizado para medir varias propiedades de los materiales, tales como: la resistencia a la tensión, el alargamiento o deformación de un material antes de romperse, la ductilidad y el límite elástico. • Ensayo de dureza: Mide la resistencia de un material a la penetración y da una medida de su resistencia al desgaste y a la abrasión. • El ensayo de impacto: Describe la respuesta de un material a una carga aplicada rápidamente. • Tenacidad a la fractura: Es la capacidad de un material de absorber energía, antes de romperse. Describe la facilidad con la cual se propaga una grieta o defecto en un material. • El ensayo de fatiga: Permite comprender el comportamiento de un material cuando se le aplica un esfuerzo cíclico. • El ensayo de termofluencia: Proporciona información sobre la capacidad de un material para soportar cargas a altas temperaturas. Aceros al carbono. Son la mayor parte de los aceros producidos debido a su bajo precio y a que son materiales fuertes y perdurables. Contienen menos de 2% de carbono y menos de 5% de otros elementos aleantes. Están divididos en tres grupos: Aceros bajos en carbono, Aceros medios en carbono y Aceros altos en carbono según la cantidad de carbono que contenga la aleación. 10

• Aceros bajos en carbono: Contienen menos del 0,25% en carbono en su aleación. Son los más fabricados en el mundo, se pueden soldar y son baratos. • Aceros medios en carbono: Contienen entre 0.25 y 0.6% de carbono en su aleación. Son más resistentes que los aceros bajos en carbono. Se emplean en piezas mecánicas como engranajes, cigüeñales, etc. • Aceros altos en carbono: Contienen entre 0.6 y 1.4% de carbono el su aleación. Son más resistentes que los aceros bajos y medios en carbono y son más resistentes al desgaste por lo que se suelen usar en herramientas de corte. Acero A 36 Es un acero bajo en carbono, compuesto por 0.20% de carbono, 0.55% de manganeso, 0.012% de fósforo, 0.037% de azufre, 0.007 de silicio, 0.01% de cobre. Es un acero estructural ampliamente usado en la industria de la construcción y en la industria metalmecánica pesada. Antecedentes El estudio de los parámetros que afectan la calidad de la soldadura manual por arco eléctrico en general ha sido realizado por las empresas dedicadas a la fabricación de los insumos necesarios para este procedimiento, principalmente las que fabrican electrodos. Los distintos fabricantes publican catálogos con las especificaciones y usos de los electrodos que producen, así como las condiciones de almacenaje de los mismos. Existen manuales técnicos con las normas internacionales que rigen los procedimientos de ensayos mecánicos para las soldaduras, así como las normas de calidad que deben cumplir las piezas soldadas. Sin embargo, no hay publicaciones disponibles que señalen el estudio sistemático combinando distintas variables que afectan el proceso y la calidad de la soldadura. Metodología. Se utilizaron láminas de acero al carbono A−36 de dos espesores: 6mm y 14mm, cortadas en una segueta hidráulica, en la medida 150mm X 100mm. Estas fueron soldadas mediante soldadura eléctrica por arco, para obtener las muestra de trabajo de 150mm X 200mm, las cuales fueron separadas en distintos grupos de experimentación, según dos tipos de electrodos utilizados: E6013 y E7018. También se probaron dos diferentes intensidades de corriente de soldadura. Por último, a las superficies de las piezas soldadas, se les hicieron diferentes formas de bisel. Se trabajó con los siguientes grupos de experimentación: Grupo 6AIsb: Espesor de las láminas: 6mm Tipo de electrodo: 6013 Intensidad de corriente: 123 Amperios. Sin bisel

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Grupo 6AIIsb: Espesor de las láminas: 6mm Tipo de electrodo: 6013 Intensidad de corriente: 155 Amperios Sin bisel Grupo 6AIv: Espesor de las láminas: 6 mm Tipo de electrodo: 6013 Intensidad de corriente: 123 Amperios. Bisel en forma de V. Grupo 6AIIv: Espesor de las láminas: 6 mm Tipo de electrodo: 6013 Intensidad de corriente: 155 Amperios Bisel en forma de V. Grupo 6BIsb: Espesor de las láminas: 6 mm Tipo de electrodo: 7018 Intensidad de corriente: 123Amperios. Sin bisel. Grupo 6BIIsb: Espesor de las láminas: 6 mm Tipo de electrodo: 7018 Intensidad de corriente: 171 Amperios Sin bisel. Grupo 6BIv:

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Espesor de las láminas: 6 mm Tipo de electrodo: 7018 Intensidad de corriente: 123 Amperios. Bisel en forma de V. Grupo 6BIIv: Espesor de las láminas: 6 mm Tipo de electrodo: 7018 Intensidad de corriente: 171 Amperios Bisel en forma de V. Grupo control 6mm: Lámina contínua sin soldadura. Grupo 14AIx: Espesor de las láminas: 14 mm Tipo de electrodo: 6013 Intensidad de corriente: 123 amperios. Bisel en forma de X. Grupo 14AIIx: Espesor de las láminas: 14 mm Tipo de electrodo: 6013 Intensidad de corriente: 150 − 225 amperios Bisel en forma de X. Grupo 14AIv: Espesor de las láminas: 14 mm Tipo de electrodo: 6013 Intensidad de corriente: 123 Amperios. Bisel en forma de V.

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Grupo 14AIIv: Espesor de las láminas: 14 mm Tipo de electrodo: 6013 Intensidad de corriente: 150 − 225 amperios Bisel en forma de V. Grupo 14BIx: Espesor de las láminas: 14 mm Tipo de electrodo: 7018 Intensidad de corriente: 123 Amperios. Bisel en forma de X. Grupo 14BIIx: Espesor de las láminas: 14 mm Tipo de electrodo: 7018 Intensidad de corriente: 150 − 225 amperios Bisel en forma de X. Grupo 14BIv: Espesor de las láminas: 14 mm Tipo de electrodo: 7018 Intensidad de corriente: 123 Amperios. Bisel en forma de V. Grupo 14BIIv: Espesor de las láminas: 14 mm Tipo de electrodo: 7018 Intensidad de corriente: 150 − 225 amperios Bisel en forma de V. Grupo control 14mm:

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Lámina contínua sin soldadura. Se realizaron los respectivos tipos de bisel, en X (foto 1) y en V ( foto 2), a las láminas correspondientes con un esmeril manual y posteriormente fueron soldadas. Ambos procedimientos los ejecutó un soldador experimentado. Proceso de soldadura. Para obtener la intensidad de corriente óptima para cada material, se hicieron ensayos preliminares en los que se varió la intensidad de corriente de la máquina de soldar, de manera de obtener el valor que produjera la mejor calidad de soldadura. Para comparar el efecto de la intensidad de corriente en la soldadura, el valor óptimo se aumentó considerablemente. Las láminas de metal fueron soldadas según las especificaciones de cada grupo (Figura 1) de experimentación, de la siguiente manera: se colocaban dos láminas de las mismas características y se les colocó un punto de soldadura entre las dos láminas para mantenerlas unidas y luego se les aplicaron los cordones de soldadura necesarios para que la pieza soldada quedara bien unida. Ensayo de doblado: El ensayo de doblado se usa para determinar si la ductilidad, la rigidez y la soldabilidad de un material soldado son adecuadas. Si un material soldado tolera ser doblado hasta 180º quiere decir que su ductilidad, rigidez y soldabilidad son apropiadas para que ese material soporte las condiciones de trabajo a las que se someterá. Este ensayo se realizó a las muestras trabajadas en esta experiencia según lo especificado en las normas para ensayos mecánicos de soldaduras de la sociedad americana de soldadura (AWS − según su nombre en inglés). Para ello, se elaboraron dos herramientas para el doblado de las muestras, (una para las muestras de 6mm y otra para las muestras de 14mm) según lo establecido en la norma del ensayo de doblado y se instaló en una prensa hidráulica (foto 3). Preparación de las probetas para el ensayo de doblado. A cada muestra soldada de 200 x 100mm, se hizo un corte transversal del cordón de soldadura para obtener una probeta de 25mm de ancho y 200mm de largo (Figura 2). Cada probeta fue ensayada para doblarse hasta 180º. En las probetas que fallaban (se rompían) antes de llegar a este doblado, se detenía el ensayo. Resultados Tabla 1. Resultados para muestras de 6mm Fuerzas obtenidas Muestra Observaciones

Promedio de en PSI

6AIsb

1

Soldadura rota en el medio del cordón.

las fuerzas en PSI

2000

15

2 3

6AIIsb 1

2

3

6AIv

1

2

3

6AIIv

1

2 3 6BIsb

1 2 3

6BIIsb 1 2 3 6BIv

1 2 3

Ensayo sin alteraciones. Soldadura agrietada parcialmente en el cordón. Grieta en la unión entre la soldadura y el material base Grieta en la unión entre la soldadura y el material base Grieta en la unión entre la soldadura y el material base Soldadura agrietada parcialmente en el cordón. Soldadura agrietada parcialmente en el cordón. Soldadura agrietada parcialmente en el cordón. Soldadura agrietada parcialmente en el cordón. Soldadura agrietada parcialmente en el cordón. Soldadura agrietada. Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones. Soldadura agrietada parcialmente en el cordón. Ensayo sin alteraciones. Soldadura agrietada en el cordón. Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones.

2000

2000

2000

1800

1800

1867

2000

2200

2000

2333

2200

2200

2400

2133

2400 2400 2400

2333

2200 1800 1800

1800

1800 2400 2400

2333

2200 16

6BIIv

1 2 3

Control 1 2 3

Ensayo sin alteraciones. Soldadura agrietada en el cordón. Soldadura agrietada en el cordón. Soldadura agrietada en el cordón. Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones.

2400 2200

2267

2200 2000 2000

1933

1800

Ensayo sin alteraciones: ensayo en el que la muestra alcanza 180° sexagesimales sin romperse ni agrietarse A: Electrodo E6013. B: Electrodo E7018 I: Intensidad de corriente 123 Amp. II: Intensidad de corriente 155 Amp (con electrodo E6013) y 171 Amp (con electrodo E7018) Sb: Sin bisel V: Bisel en "V" Tabla 2. Resultados para muestras de 14 mm

Fuerzas obtenidas Muestra Observaciones

Promedio de en PSI

14AIx

1 2 3

14AIIx 1 2 3 14AIv

1

La soldadura falló a 60º La soldadura falló a 50º La soldadura falló a 60º La muestra rompió en dos cuando se encontraba a 30º La soldadura falló a 30º La soldadura falló a 35º Soldadura agrietada en el cordón.

las fuerzas en PSI

14333 13230

13377

12569 11025 10805

11025

11246 11582

17

2 3 14AIIv 1 2 3 14BIx

1 2 3

14BIIx 1 2 3 14BIv

1 2 3

14BIIv 1 2 3 Control 1 2 3

La soldadura falló a 35º La soldadura falló a 30º La soldadura falló a 20º La soldadura falló a 45º La soldadura falló a 50º Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones. Soldadura agrietada en el cordón. La soldadura falló a 65º Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones. Soldadura agrietada en el cordón Soldadura agrietada en el cordón Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones. La soldadura falló a 70º Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones. Ensayo sin alteraciones.

13671

11511

9482 8820 10584

10584

12348 25358 29106

27195

27122 17640 11907

16244

19184 22712 19432

22148

24302 18081 20241

18425

16953 28665 26460

28298

29768

Falla de la soldadura: grieta en el cordón de soldadura a la cantidad indicada de grados sexagesimales. Ensayo sin alteraciones: ensayo en el que la muestra alcanza 180° sexagesimales sin romperse ni agrietarse.

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A: Electrodo E6013. B: Electrodo E7018 I: Intensidad de corriente 123 Amp. II: Intensidad de corriente 187 Amp. X: Bisel en "X". V: Bisel en "V". Gráfico 1 Gráfico 2 Gráfico 3 Gráfico 4 Gráfico 5 Gráfico 6 Gráfico 7 Gráfico 8 Gráfico 9 Gráfico 10 Gráfico 11 Gráfico 12 Gráfico 13 Gráfico 14 Gráfico 15 Gráfico 16 Gráfico 17 Gráfico 18 Gráfico 19 Gráfico 20 Gráfico 21

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Gráfico 22 Gráfico 23 Gráfico 24 Foto 4 − Probeta 14mm sin alteraciones.

Foto 5 − Probeta 14mm con soldadura agrietada. Foto 6 − Probeta 14mm con soldadura rota Foto 7 − Probeta 6mm sin alteraciones Foto 8 − Probeta 6mm con soldadura rota Discusión Desde su invención, hace ya más de 100 años, la soldadura de metales ha sido ampliamente usada en un gran número de procesos de manufactura, a nivel industrial y artesanal. El factor principal que hace de este proceso un método tan útil es su simplicidad, y por lo tanto, su bajo costo. A pesar de la gran variedad de procesos de soldadura disponibles, la soldadura con electrodo revestido no ha sido desplazada del mercado. La sencillez hace de ella un procedimiento práctico; todo lo que necesita un soldador para trabajar es una fuente de alimentación eléctrica, cables, un porta electrodo y electrodos. La soldadura de arco eléctrico es muy versátil y su campo de aplicaciones es enorme. Sin embargo, el procedimiento con electrodo revestido no se presta para la automatización; su aplicación es esencialmente manual, de allí que las variables que intervienen deben ser cuidadosamente conocidas y controladas, para garantizar una unión estable entre las piezas. Particularmente importante resulta garantizar la firmeza de las uniones soldadas en las piezas metálicas que serán sometidas a esfuerzos de compresión, tensión o tracción, como es el caso de los vehículos de remolques de carga pesada. El objetivo de este trabajo fue hacer un análisis de tres variables importantes en la soldadura de piezas de acero A 36, como son el tipo de bisel en la zona de unión, la intensidad de corriente empleada y el tipo de electrodo usado, para dos espesores de materiales. Influencia del tipo de electrodo: El criterio de selección de los tipos de electrodos analizados se basó en que son los dos más usados en la industria de fabricación de remolques de carga pesada. Son fabricados en el país y generan la mejor relación 20

costo beneficio en su utilización. La eficacia de cada electrodo fue estudiada en cuatro condiciones de soldadura distintas: dos tipos de bisel y dos intensidades de corriente. Como se observa en la tabla 1 y en los gráficos 9 al 12 (para las muestras de 6 mm) y en la tabla 2 y en los gráficos 13 al 16 (para las muestras de 14 mm), en todas las muestras soldadas con electrodos E7018 se obtuvieron valores más altos de resistencia en el ensayo de doblado, en comparación con el electrodo E6013. Esta tendencia se mantuvo aunque variaran otras condiciones de las muestras, como intensidad de corriente y tipo de bisel. Esto se debe a que el electrodo E6013 es un electrodo cuya principal aplicación es la realización de soldaduras superficiales, es decir, la capacidad de penetración de este electrodo es inferior a la capacidad de penetración del electrodo E7018. Su resistencia máxima a la tracción es de 60 mil PSI, mientras que el E7018 tiene una resistencia de 70 mil PSI. A pesar de que el E6013 puede ser usado en aceros estructurales, como el A36, se recomienda principalmente para soldadura de puntos o para soldar piezas de espesores inferiores a 4 mm. Los electrodos E6013 están recubiertos de rutilo con potasio. El rutilo es óxido de titanio, el cual forma titanatos de hierro en la escoria (TiO2−FeO−MnO), lo que le confiere a ésta la viscosidad adecuada para permitir la soldadura cuando entre los bordes a unir existe una distancia excesiva, o defectuosa preparación de juntas (Ramírez, 2000). Resultan por su fácil manejo en cualquier clase de montaje, la escasa influencia de las condiciones ambientales y por ser adecuados para emplearse en todas las posiciones, idóneos para todo tipo de soldaduras siempre que no se requiera una elevada tenacidad (resistencia a romperse o deformarse). Como puede observarse en la tabla 2 (14 mm), en casi todos los ensayos con este electrodo (Grupos A) la soldadura falló (se agrietó) e incluso, en un caso la pieza se rompió en dos partes (Fotos 5, 6 y 8). Lo mismo cabe mencionar en los ensayos hechos con muestras de 6 mm (tabla 1). Los electrodos E7018 son del grupo de electrodos básicos, cuyo recubrimiento es bajo en hidrógeno, con polvo de hierro. Son electrodos de alto rendimiento, porque depositan gran cantidad de metal al fundirse, por lo que son apropiados para piezas que requieren gran resistencia al impacto. En la tabla 2 se observa que en la mayoría de los ensayos con este electrodo (Grupos B) no hubo alteraciones o el ángulo de fallo fue alto, comparado con el grupo A (electrodo 6013). En los resultados que se observan en la tabla 1, las fallas que se observan en los grupos B, para este tipo de electrodo, son debidas al efecto de usar elevado amperaje (grupo 6BIIsb y 6BIIv). Influencia de la intensidad de corriente: En las muestras de 6mm soldadas con intensidades de corriente de 123 Amp y 155 Amp, y las muestras de 14mm soldadas con una intensidad de corriente 123 Amp y 187 Amp, se observó, en ambos casos, que la intensidad de corriente baja dio mejores resultados que las muestras soldadas con una intensidad de corriente alta. Ambas intensidades de corriente fueron probadas en cuatro condiciones distintas: dos tipos de bisel combinados con dos tipos de electrodos, para los dos espesores estudiados (tabla 1, gráficos 1 al 4, y tabla 2, gráficos 17 al 20). En todos los casos, los valores de esfuerzo (PSI) resultantes del ensayo de doblado fueron más altos cuando la intensidad de la corriente fue menor. Estos resultados se deben a que una alta (o excesiva) intensidad de corriente hace que se funda mayor cantidad del material base (metal), mientras que el material de aporte puede ser insuficiente, generando socavaciones en la soldadura, que disminuyen su resistencia. Además, la excesiva corriente eléctrica genera calor excesivo, el cual puede vaporizar diversos compuestos cercanos a la zona de unión, los cuales quedan atrapados dentro del cordón de soldadura, produciendo porosidades. Estos pequeños agujeros o burbujas pueden debilitar la zona de unión, como en efecto se observó en los ensayos realizados. Una intensidad de corriente más baja permite una adecuada deposición de material de aporte y un fundido 21

adecuado del metal base. Influencia del tipo de bisel: En la actividad de soldadura la preparación del metal base, como la limpieza y el biselado con los ángulos de inclinación adecuados, son el factor primordial para la obtención de un producto de acuerdo a las normas técnicas establecidas. El tipo de bisel (corte inclinado del borde) depende del grosor del material que se va a usar. Si es necesario soldar metales con un espesor mayor a 3mm deben biselarse los bordes en v sencilla y si el espesor es superior a ¾" debe biselarse en forma de x. Las láminas de 14mm preparadas con bisel en X, mostraron mejores resultados en los ensayos de resistencia en todos los casos (tabla 2 y gráficos 21 al 24). Esta tendencia no fue tan notable cuando la intensidad de la corriente usada fue muy alta (187 Amp) (gráficos 17 al 20), lo cual puede explicarse por el efecto de la intensidad de corriente, tratado en el punto anterior. El bisel en X permite que se aplique la misma cantidad de soldadura en ambos lados de la muestra, con lo que la penetración es mayor. El efecto neto es que el cordón de soldadura tenga igual grosor por ambas caras del metal, lo que fortalece la unión, permitiendo que la resistencia de la soldadura sea mayor que la de las láminas preparadas con bisel en V. En éstas, el cordón de soldadura es mayor en una cara que en la otra (la del vértice de la V). En las láminas de 6mm, se observa una tendencia a obtener mayor resistencia en las muestras preparadas con bisel en V que las que no tienen bisel (tabla 1, gráficos 5 al 8), dado que, en este caso, el bisel en V permite más penetración que en las muestras sin bisel, lo cual eleva su resistencia. Relación costo beneficio de los resultados obtenidos: Siendo este proyecto sugerido por una empresa necesariamente debe tener implícito un análisis de costo beneficio. Aparte del beneficio técnico que ya se ha explicado, del uso del electrodo E7018, está el beneficio económico, pues es ligeramente mas económico en su precio unitario aproximadamente 5% menos por Kg. de electrodo) comparado con el E6013. Adicionalmente, el hecho que tenga mayor penetración de soldadura, hace que en el momento de producirse la fusión del material base, halla un mayor volumen de material fundido y en consecuencia, un mayor volumen de material soldado, lo que se traduce en un menor tiempo para realizar la soldadura de un determinado volumen de material. De manera que se puede soldar más rápido con el electrodo E7018 que con el E6013. Esto redunda en un ahorro de costo y tiempo al trabajar con este tipo de electrodo. La hipótesis planteada para las muestras de espesor de 14mm, fue aceptada para el tipo de electrodo y el tipo de bisel, no así, para la intensidad de corriente. Mientras que para el espesor de 6mm, se aceptó la hipótesis para la intensidad de corriente y para el tipo de bisel, y no para el tipo de electrodo. Conclusiones • El electrodo E7018 permite la realización de soldaduras más resistentes que el electrodo E6013, en láminas de 6 y 14 mm de acero A−36. • En láminas de 6 mm de acero A−36, el bisel en V permite que la resistencia de la soldadura sea mayor que la de las realizadas sin bisel. • En láminas de 14 mm de acero A−36, el bisel en X permite que la resistencia de la soldadura sea mayor que 22

la de las realizadas con bisel en V. • En los espesores de 6mm y 14mm de acero A−36, la intensidad de corriente baja (123 Amp) permitió obtener mayor resistencia en las soldaduras. • El electrodo E7018 en cuanto a la relación costo beneficio ofrece mejores resultados. Glosario Aceros: Metales formados por hierro y carbono, normalmente con pequeñas cantidades de otros elementos. El acero es el metal más común en la manufactura. Agrietamiento: Fractura que se desarrolla en la soldadura después de completarse la solidificación. Las soldaduras con alta dureza pueden causar agrietamiento. Aleación: Metal que consiste de la mezcla de dos o más materiales. Uno de estos materiales debe ser un metal. Corriente alterna: es aquella cuyas cargas eléctricas dentro del conductor circulan en uno u otro sentido, trayendo como consecuencia que la corriente cambie constantemente de sentido. Corriente continua: es aquella en la cual las cargas eléctricas dentro del conductor se desplazan en un solo sentido. Ductilidad: Capacidad de un metal para ser extendido, estirado o formado sin romperse. Dureza: Capacidad del material para resistir indentación, penetración y rayado. El calor de la soldadura puede cambiar la dureza de un metal. Electrodo: Dispositivo que conduce electricidad. En la soldadura por arco, el electrodo también puede participar como metal de aporte. Escoria: Óxidos e impurezas provenientes de las áreas expuestas a la soldadura. Esmerilado: Uso de un abrasivo para rebajar la superficie de una pieza de trabajo. Metal base: Uno de dos o más metales que se sueldan para formar una unión. Metal de aporte: Metal que se agrega a la unión en la soldadura. Los metales de aporte ayudan a la resistencia y a la masa de la unión soldada. Puntos: Soldaduras hechas para sostener las piezas de una soldadura debidamente alineadas antes de que se aplique la soldadura final. Los puntos también se usan para ayudar en el precalentamiento. Resistencia: Capacidad de un metal para resistir fuerzas que intentan romperlo o deformarlo. Resistencia a la tensión: Capacidad de un metal para resistir fuerzas que tratan de separarlo o estirarlo. Soldabilidad: Capacidad de un material para ser soldado bajo ciertas condiciones impuestas en una estructura específica y apropiada, la cual funciona eficientemente para el uso que se le destina. Temperatura de fusión: Temperatura que es necesaria para cambiar un metal de sólido a líquido. También se le conoce como punto de fusión.

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Bibliografía AGA. 1987. Catálogo de electrodos. Suministros Solinca C.A. Maracay Edo. Aragua. Pág.: 13 − 26. Arco Metal. 1996. Catálogo de soldadura. Suministros Solinca C.A. Maracay Edo. Aragua. Pág.: 10 − 15. Edwards and Endean. 1990. Manufacturing with Materials. The Open University. Pág. 1 − 24. Harnischfeger Corporation. 1990. Principios básicos de la soldadura eléctrica. Boletín w − 53 − 25p. Pág.: 1 − 15. Indura. 2001. Sistemas y materiales de soldadura. Editorial Indura S.A. Chile. Pág.: 3 − 23, 35, 43. Ramirez, J. 2000. Fabricación de Electrodos. Universidad Central de Venezuela, facultad de ingeniería. Pág. 1 − 12. The James F. Lincoln arc welding foundation. www.jflf.org. Welding Hand Book. 1991. Vol 1. American Welding Society, Miami, Florida. Pág. 31− 54.

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