Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 03, enero-marzo de 2025. Universidad Tecnológica de Pereira. ISSN 0122-1701 y ISSN-e: 2344-7214
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Abstract— The additive manufacturing of metals can be made
with the same welding techniques used for joining of materials, in
this process called Wire Arc Additive Manufacturing WAAM, a
heat source melts the filler metal, and it is deposited layer by layer
along a predefined path. This Directed Energy Deposition
technique is used to manufacture medium to large scale parts that
may require subsequent finishing process. To guarantee the
quality of the produced parts it is required to assess their
mechanical properties which depend on the welding process
variables. This paper exposes the study carried out on a carbon
steel wall deposited using GMAW and with a ER70S-6 wire.
Horizontal and vertical oriented tensile specimens were machined
from the wall according with test method ASTM E8M-21 and
mechanical properties were obtained and compared against the
values expected by the filler metal specification. Finally, some
suggestions are presented that will possibly improve the process
aiming to increase yield strength, tensile strength and elongation,
especially in the transverse direction to the advance, it requires a
greater number of tests throughout the operative range of the
equipment used.
Index Terms—ER70S-6, GMAW process parameters,
mechanical properties, WAAM.
Resumen— La manufactura aditiva de metales se puede realizar
con las mismas técnicas de soldadura utilizadas en la unión de
materiales, de manera tal, que una fuente de calor funde el metal
de aporte que se deposita capa por capa siguiendo una trayectoria
establecida y con ello se manufacturan partes de mediana a gran
This work is derived from the project “Development of a hybrid
manufacturing system for the fabrication of medium-scale metal components.
Phase I: Prototyping of the welding arc additive manufacturing (WAAM)
process,” which is being carried out at the National University of Colombia ,
Bogotá Campus, and from the undergraduate thesis “Development of a welding
arc additive manufacturing (WAAM) simulator for the Leadwell V20i
machining center at the Los Libertadores University Foundation.”
E. Cepeda Gómez is a professor in the Mechatronics Engineering program
at the University of San Buenaventura and a Master's student in Engineering –
Materials and Processes at the National University of Colombia, Bogotá Y.C.
Poveda Castillo is an assistant professor in the Mechanical Engineering
program at the Los Libertadores University Foundation (e-mail:
ycpovedac@libertadores.edu.co). U. García Zaragoza is a professor in the
Mechatronics Engineering program at ECCI University (email:
ugarciaz@ecci.edu.co).
C.A. Narváez-Tovar is an associate professor in the Department of
Mechanical and Mechatronics Engineering at the National University of
Colombia, Bogotá Campus, Colombia (email: canarvaezt@unal.edu.co).
escala que pueden requerir procesos posteriores de acabado. Para
realizar piezas funcionales es importante asegurar su calidad
partiendo de sus propiedades mecánicas y que dependen de las
variables propias del proceso de soldadura. En este artículo se
presenta el estudio realizado a una pared de acero al carbono
depositada con GMAW y con un alambre sólido ER70S-6,
comparando las propiedades mecánicas obtenidas en ensayos de
tracción contra los valores esperados por la especificación del
metal de aporte. La correlación se establece entre los datos
obtenidos en los ensayos de tracción que corresponden a las
probetas mecanizadas en dos direcciones, horizontal y vertical,
cumpliendo la geometría definida en el método de ensayo ASTM
E8M-21, de manera que al final se presentan algunas sugerencias
que posiblemente permitirán mejorar el proceso para que se
aumente la resistencia a la fluencia, la resistencia a la tracción y el
porcentaje de elongación sobre todo en el sentido transversal a la
dirección de avance, requiriendo para ello un mayor número de
pruebas en todo el rango de trabajo de los equipos utilizados.
Palabras claves—ER70S-6, parámetros del proceso GMAW,
propiedades mecánicas, WAAM.
I. INTRODUCCION
L
a manufactura aditiva (AM), es el proceso de unión de
materiales, usualmente capa por capa, para fabricar objetos
a partir de un modelo 3D. Su principio de funcionamiento
se presenta como opuesto a los procesos de manufactura
substractivos y puede establecerse como complementario a las
técnicas actuales de manufactura [1]. De las siete categorías
diferentes clasificadas por el comité F42 de ASTM [2]
únicamente la deposición de energía dirigida DED, la fusión de
lecho de polvos PBF y el laminado de hojas SL permiten la
producción de partes metálicas en una sola etapa, y solamente
la deposición de energía focalizada DED, emplea la adición de
metal de aporte [3]. Los parámetros principales en la
manufactura aditiva DED están relacionados con el tipo de
materia prima (polvos o alambre) y la fuente de energía térmica
(láser, un haz de electrones o arco eléctrico) [1], requiriendo un
suministro adecuado de la materia prima y su manipulación,
almacenamiento y reutilización ceñido a lo declarado por el
fabricante [4].
En los procesos DED, la energía térmica funde los materiales
que se van depositando y cuando se emplea como fuente de
energía el arco eléctrico se hace referencia a un proceso de
Mechanical Characterization of a carbon steel wall
manufactured with ER70S-6 wire by an in-house Wire
Arc Additive Manufacturing (WAAM) process
Caracterización mecánica de una pared de acero al carbono fabricada con alambre ER70S-6
empleando un proceso propio de Manufactura Aditiva con Arco Eléctrico (WAAM)
E. Cepeda Gómez ; Y. C. Poveda Castillo ; U. García Zaragoza ; C.A. Narváez-Tovar
DOI: https://doi.org/10.22517/23447214.25681
Scientific and technological research paper
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 01, enero-marzo de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira
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manufactura Aditiva por Soldadura (WAAM, Wire Arc
Additive Manufacturing) [1],[5]. WAAM utiliza las
herramientas de soldadura con arco eléctrico y un alambre
metálico de aporte con una tasa de deposición estimada de 4 a
9 kg/h para construir Dentro de los procesos de soldadura
adecuados para implementar un sistema WAAM, se encuentran
los de alambre continuo sólido (GMAW) o tubular (FCAW).
Para proteger el metal que se deposita se emplean gases
industriales que evitan que los gases del medio circundante
afecten las propiedades mecánicas, disminuyendo las
discontinuidades y haciendo que el arco eléctrico sea estable. El
voltaje, la intensidad de corriente y la velocidad de avance son
algunos de los parámetros fundamentales. Algunos fabricantes
de equipos han desarrollado modificaciones a los tipos de
transferencia que se originan en GMAW, por ejemplo, la
transferencia de metal fría CMT desarrollada por Fronius,
quienes aseguran que se traslada menos calor al depósito al
controlar los parámetros eléctricos de una manera diferente a
los procesos convencionales de soldadura. [7]. Por otro lado,
los metales de aporte que se suelen utilizar son de distribución
comercial y producidos por la industria de la soldadura,
disponibles en forma de rollos de alambre y en un amplio rango
de aleaciones. En aleaciones de aluminio y de acero, aún los
procesos convencionales de conformado son los preferenciales,
en general los depósitos de aluminio con manufactura aditiva
tienen menores propiedades mecánicas comparadas con las
piezas obtenidas por mecanizado, esta condición se supera al
procesar posteriormente a través de un tratamiento térmico que
refine la microestructura [8].
Los desarrollos previos del proceso WAAM datan del año 1920
cuando se patentó el uso de electrodos consumibles para
conformar artículos decorativos [9], más adelante, la
realización de recargues (cladding) con soldadura y en 1967,
Akira Ujiie, patentó la fabricación de recipientes de sección
transversal circular empleando únicamente metal de soldadura
[10]. En 1983, se empleó SAW en tándem con una tasa de
deposición de 20 kg/h, y posteriormente, Rolls Royce junto con
la Universidad de Cranfield, en la década de 1990, mostraron
su interés en la elaboración de componentes de motores
aeronáuticos con Ti-6Al-4V e Inconel 718 [3]. Más
recientemente, investigadores de la start-up Arup y el Imperial
College London, a través del The Alan Turing Institute –
Lloyd’s Register Foundation, diseñó, modeló, construyó y
ensayó el primer puente metálico en acero inoxidable fabricado
con WAAM [6]. Actualmente, WAAM es un proceso que está
siendo usado por la industria aeroespacial para la fabricación de
componentes con alta relación BTF (buy to fly), así como la
industria militar y naval para fabricar repuestos y llevar a cabo
reparaciones de componentes fracturados [11], [12], [13].
Uno de los desafíos en los componentes fabricados con WAAM
es la evaluación de la influencia del proceso de soldadura en sus
propiedades mecánicas, de manera que la resistencia a la
fluencia y a la tracción, de un acero fabricado por AM sea
comparable con la de un acero convencional [7], [8]. Las
propiedades de tracción pueden diferir hasta un 10% para
diferentes orientaciones y la resistencia puede ser mejorada al
incrementar la corriente del arco de soldadura. Por ejemplo, el
trabajo de Ermakova et al. [14] emplearon el proceso GMAW
con CMT (Cold Metal Transfer) para hacer los depósitos capa
a capa sobre un acero estructural EN 10025, con un patrón
oscilante para obtener una pared de 24 mm de espesor. Este tipo
de trayectoria redujo la probabilidad de fusión incompleta, pero
aumentó la entrada de calor. De los ensayos a tracción en
sentido horizontal y en sentido vertical de acuerdo con ASTM
E8M a temperatura ambiente, encontraron que la deformación
en la fractura es ligeramente mayor en las probetas horizontales,
la resistencia a la fluencia es menor 6,8% en las probetas
verticales y la resistencia a la tracción es similar pero
ligeramente menor en el sentido vertical [14]. Por otro lado,
Haden et al. [15] configuraron un sistema WAAM de bajo costo
empleando una máquina de soldar Millermatic 250 con un
posicionador tipo gantry, empleando el software de código
abierto Slic3r engine para el código G, para depositar paredes
de 212,6 cm de longitud, 11,5 cm de altura y 0,6 cm de espesor,
con alambre ER70S-6 de 0,9 mm de diámetro, sobre una platina
de ASTM A36, con 19V, velocidad de alimentación de 5 080
mm/min y un avance de 152 mm/min. Cada capa se realizó en
la misma dirección con un gas de protección 75% Ar y 25%
CO
2
, con un caudal de 30 CFH. A partir de la pared,
mecanizaron probetas de tracción de acuerdo con ASTM A370-
13 y las ensayaron obteniendo un comportamiento en la
resistencia a la fluencia muy similar al obtenido de un ASTM
A36 y sin diferencias significativas entre resultados de probetas
mecanizadas en sentido horizontal y vertical [15].
En el contexto latinoamericano también se han llevado a cabo
investigaciones en las que se configuran sistemas WAAM
integrando equipos de soldadura y CNC. Por ejemplo, el trabajo
de Fragoso Poblano [16] utilizó un dispositivo de control
numérico computarizado CNC para automatizar el movimiento
de la antorcha MIG PF 250 de un equipo de soldadura MIG MM
252 de INFRA, empleando alambre de acero al carbono de 0,9
mm de diámetro y una alimentación de 7,056 m/min, mientras
que el trabajo de Cervantes et al. [17] utilizó el software Match
1, un router CNC, una máquina de soldar para GMAW y el
metal de aporte ER70S-6 de diámetro 0,8 mm. Cada probeta de
tracción se manufacturó depositando 6 capas, la distancia entre
la antorcha y la pieza de 8 mm, amperaje de 80 A, voltaje de
35V, velocidad de avance de la antorcha de 1,1 m/min,
velocidad de alimentación de 15 m/min y caudal de gas de
15ft
3
/h. Las probetas de tracción se mecanizaron de acuerdo con
ASTM E8M-04 y los ensayos se realizaron a temperatura
ambiente de 20°C, obteniendo una resistencia a la fluencia entre
258,0 MPa y 358,1 MPa, resistencia a la tracción entre 402,7
MPa y 493,2 MPa, que en promedio fue ligeramente superior a
la especificada para el metal de aporte ER70S-6 [17].
En Colombia, el estudio de la ANDI e iNNpulsa indica que los
sectores automotriz y metalmecánico deben realizar inversiones
y desarrollos propios para cerrar la brecha tecnológica de la
manufactura 3D, especialmente en la de materiales metálicos
[18]. De todas las tecnologías aditivas, la adopción de WAAM
por la industria colombiana tiene una alta factibilidad de éxito
debido a que puede realizarse sin requerir una alta inversión
inicial en equipos, y puede aprovechar la capacidad instalada y
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el capital humano capacitado en CNC y soldadura. Por lo
anterior, el objetivo de este artículo es presentar la
caracterización mecánica de paredes de acero al carbono
ER70S-6 fabricadas con un equipo de soldadura GMAW
convencional adaptado a un centro de mecanizado CNC. La
sección de metodología describe las pruebas semiautomáticas,
continuas, de deposición de cordones individuales y de solape
realizadas con el fin de establecer un intervalo de parámetros de
proceso que produjeran apariencia uniforme, ancho constante y
baja convexidad de los cordones depositado, así como el
proceso de deposición de una pared de longitud 220 mm, altura
115 mm y ancho 36 mm, de la cual fueron cortados bloques
horizontales y verticales para mecanizar las probetas a tracción.
La sección de resultados presenta las propiedades mecánicas
obtenidas de los ensayos de tensión de acuerdo con la norma
ASTM E8M-21. Finalmente, la sección de conclusiones
correlaciona los parámetros de proceso con las propiedades
mecánicas obtenidas, realiza sugerencias para mejorar el
proceso y formula líneas de trabajo futuro.
II. METODOLOGÍA
A. Selección del material y proceso de fabricación:
1) Descripción del proceso de soldadura
GMAW es un proceso de soldadura por arco eléctrico
generado entre un electrodo metálico continuo y el charco
de soldadura, con un gas suministrado externamente que
actúa como protección y no requiere la aplicación de
presión. Al combinar de manera adecuada el gas de
protección, metal de aporte y variables de soldadura es
posible soldar metales como aceros al carbono, aceros de
baja aleación, aceros inoxidables, aluminio, cobre, titanio
y aleaciones de níquel [19].
2) Equipos
La máquina de soldadura regula automáticamente las
características eléctricas del arco (tensión y velocidad de
alimentación), el soldador o un equipo adicional genera la
velocidad de avance y la dirección de la antorcha. El equipo
de soldadura está compuesto por la antorcha de soldadura
con sus accesorios, la unidad de alimentación, el control de
soldadura, la fuente de poder, el regulador del gas de
protección y el suministro de gas a través de un cilindro de
alta presión [19]. En este trabajo se utilizó una máquina de
soldadura Speedtec 200C con antorcha LGS 250G del
fabricante Lincoln Electric.
Para desplazar automáticamente la antorcha y depositar la
pared se empleó un centro de mecanizado CNC Leadwell
V-20i. Para acoplar la antorcha al husillo del centro de
mecanizado se empleó un portaherramientas disponible y
se diseñó un aditamento que emplea unión atornillada para
sujetar la antorcha por presión y permite el giro libre del
husillo respecto a la antorcha [20]. El aditamento se
muestra en la figura 1. La generación del código G
correspondiente a las trayectorias de deposición que debe
seguir la antorcha en cada una de las capas de la pare se
obtuvo empleando un simulador del proceso desarrollado
en el software SprutCAM [20].
3) Metal de aporte
El alambre corresponde a la especificación AWS A5.18, y
a la clasificación ER70S-6. Este alambre se destina para
soldaduras de capa sencilla o múltiple, adecuado para
aplicaciones donde se requiere cordones lisos y se puede
utilizar con rangos de corriente altos con gas de protección
CO
2
o mezclas de argón y oxígeno o argón y CO
2
[21]. La
composición química típica del metal de soldadura
depositado se describe en la Tabla I, mientras que la tabla
II resume las propiedades mecánicas de los depósitos que
pueden obtenerse con este alambre. Específicamente para
este trabajo, se empleó alambre de 0.8 mm de diámetro.
4) Gas de protección
El gas es indispensable para que el proceso de soldadura se
realice de manera apropiada, incide en el desempeño del
proceso de soldadura y el potencial de ionización permite
el inicio y la estabilidad de arco a partir de los componentes
del gas. [22]. Durante el proceso de fabricación de la pared
se empleó como gas de protección 100% CO
2
del
Fig. 1. Sistema de sujeción de la antorcha.
TABLA I
REQUISITOS DE COMPOSICIÓN QUÍMICA PARA ELECTRODOS
SÓLIDOS Y VARILLAS
Clasificaci
ón AWS
A5.18
[A5.18M]
Porcentaje en peso
a
C
Mn
Si
P
S
Ni
Cr
Mo
V
Cu
ER70S-6
[ER49S-6]
0.06–
0.15
1.40-
1.85
0.80-
1.15
0.025
0.035
0.15
0.15
0.15
0.03
0.50
a
Los datos sencillos son valores máximos[21]
TABLA II
REQUISITOS DE PROPIEDADES MECÁNICAS TAL COMO SE SUELDA
Clasificaci
ón AWS
A5.18
[A5.18M]
Gas de
protección
a
Resistencia a
la tracción,
psi [MPa]
Resistencia a
la fluencia
b
psi [MPa]
Porcentaje
de
elongación
c
Resistencia
al impacto
(promedio
mínimo) a
20 °F
[30 °C]
ER70S-6
[ER49S-6]
CO
2
70 000 [490]
58 000 [400]
22
20 ft lb
[27 J]
a
El uso de un gas de protección en particular para propósitos de clasificación no se debe interpretar como
una restricción al uso de otras mezclas de gases. Un metal de aporte ensayado con otra mezcla de gas de
protección puede resultar en un metal de soldadura con diferentes propiedades mecánicas.
b
Resistencia a la fluencia al 0,2% de desplazamiento.
c
Porcentaje de elongación en 2 in [50 mm] de longitud de galga o 1,4 in [36 mm] de longitud de galga para
probetas de tracción de 0,250 in [9,0 mm] recomendadas. [21]
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fabricante Cryogas, ya que el CO
2
es un gas activo que se
suele emplear en GMAW por su menor costo por unidad
de volumen; sin embargo, el costo final dependerá
adicionalmente del contorno del cordón, de la salpicadura
y su remoción, puesto que la menor eficiencia de
deposición causada por los humos generados y las pérdidas
por salpicaduras pueden influir el coste final. [22].
5) Variables del proceso
Las variables del proceso son la corriente de soldadura que
varía directamente con la velocidad de alimentación del
alambre, la polaridad del electrodo, que en la mayoría de
aplicaciones y modos de transferencia se obtiene con
corriente directa electrodo positivo (DCEP), el voltaje del
arco, la velocidad de avance, la extensión del electrodo,
que típicamente oscila entre 6 mm a 13 mm para corto
circuito, la orientación del electrodo, el diámetro del
alambre que influye en la configuración del cordón de
soldadura, y la composición y caudal del gas de protección.
La selección de los parámetros requiere de
experimentación para encontrar las condiciones adecuadas
y esta tarea no es sencilla por la interdependencia de
muchas de estas variables. [19].
B. Desarrollo experimental
1) Pruebas de deposición con parámetros iniciales
A partir del manual de la máquina y de la ficha del metal
de aporte generados por el fabricante, se realizaron pruebas
semiautomáticas para determinar los valores iniciales de
prueba que resultaron en velocidad de alimentación 8
m/min, tensión de salida 24 V, velocidad de avance 250
mm/min y caudal de gas 15 L/min. Con estos datos
preliminares, se configuró el proceso GMAW mecanizado,
en donde la trayectoria de la multicapa de cordón sencillo
la generó el simulador en SprutCAM, mientras que de
manera manual se abrió y cerró el arco eléctrico en la
antorcha oprimiendo el gatillo de la antorcha.
La segunda aplicación se realizó de forma continua sin
modificar los parámetros iniciales de prueba (velocidad de
alimentación 8 m/min, tensión de salida 24 V, velocidad de
avance 250 mm/min y caudal de gas 15 L/min.),
únicamente se ajustó manualmente el eje Z del husillo del
centro de mecanizado para modificar la altura de la pared
al aplicar cada una de las capas. Como sustrato se empleó
un acero al carbono ASTM A36 de espesor 6,5 mm y se
aisló eléctricamente del CNC a través de un par de
mordazas de poliamida. Al finalizar la aplicación de las
once (11) capas se encontró que la poliamida no es el
material adecuado porque la temperatura alcanzada en la
aplicación completamente las mordazas, como se aprecia
en la figura 2. La temperatura acumulada entre pases,
además de deformar el sustrato, evitó una solidificación
rápida del metal de soldadura en las capas más calientes y
por tanto tendía a perder la forma del cordón de manera que
la aplicación obtuvo una apariencia no uniforme, tal como
lo muestra la figura 3.
Para automatizar el proceso, fue necesario sincronizar el
movimiento del CNC con el inicio y fin de arco generado
en la máquina de soldadura, para ello se realizó la
conexión al CNC del gatillo de la antorcha y se creó el
código para iniciar y finalizar el arco; este comando se
incorporó al simulador generado por el software
SprutCAM. Se probó la sincronización con depósitos de
tres configuraciones geométricas diferentes como se
aprecia en la figura 4.
También se retiró la mordaza de la mesa de trabajo del
CNC, en su lugar se colocaron ladrillos refractarios para
aislar térmica y eléctricamente el CNC del arco eléctrico.
Fig. 2. Resultado de la aplicación inicial de once (11) capas sencillas.
Fig. 3. Resultado de la aplicación inicial de once (11) capas sencillas.
Fig. 4. Depósitos de pared sencilla como prueba de la conexión sincronizada
entre CNC y máquina de soldadura.
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Para reducir la deformación del sustrato se cambió el
espesor de 6,5 mm a uno de 20 mm y la temperatura entre
capas se estableció que no sobrepasaría 150°C.
2) Exploración de intervalos para los parámetros de
proceso
Se realizó un estudio exploratorio para encontrar los
intervalos de parámetros de proceso, mediante la
deposición de varios cordones en capa sencilla, como se
aprecia en la figura 5. Los parámetros incluidos fueron la
velocidad de alimentación, la velocidad de avance, la
tensión y la corriente. Se inspeccionó visualmente la
superficie de cada cordón buscando apariencia uniforme,
ancho constante y de baja convexidad, esto con el fin de
que cada capa previa sea lo más homogénea posible.
Se mantuvo constante la tensión de salida y se modificó la
velocidad de alimentación del alambre y el avance de la
antorcha, en diferentes configuraciones. Al final se obtuvo
los siguientes parámetros, descritos en la tabla III, que
permitieron obtener cordones de soldadura uniformes.
Posteriormente se probó el traslape entre cordones de cada
capa, con un desplazamiento entre ejes de cordones de 2,6
mm el resultado mostró que había una tendencia a generar
un perfil irregular, como se presenta en la figura 6. Se
probó un traslape de 5,1 mm obteniendo una mejora
notable en la apariencia de la capa.
3) Fabricación de la pared y probetas a tracción
Para la deposición, se realizó en forma de una pared de
longitud 220 mm, altura 115 mm y ancho 36 mm, utilizaron
un caudal de CO
2
de 15 L/min, una distancia de la punta de
contacto a la pieza de trabajo (CTWD) de 12 mm,
velocidad de avance de 200 mm/min, tensión de salida de
24 V, velocidad de alimentación de 5 m/min. La pared
depositada se presenta en la figura 7.
El precorte de las probetas de tracción, ver figura 8, se
realizó con el equipo de oxicombustible para remover la
pared del sustrato y con la segueta de vaivén se realizaron
los cortes transversales y longitudinales a la dirección de
aplicación para obtener las probetas en las dos direcciones
que se denominan horizontal (paralelas a la dirección de
avance) y vertical (transversal a la dirección de avance).
Posteriormente se realizó el macroataque para detectar
discontinuidades en la aplicación y el mecanizado de las
probetas de tracción para su consecuente ensayo en la
máquina universal.
El mecanizado de las probetas de tracción se realizó de
acuerdo con la figura 8 de la ASTM E8M-21: para las
probetas horizontales se empleó la geometría de la probeta
2, mientras que las probetas verticales corresponden a la
probeta 3. Se fabricaron dos probetas verticales y tres
probetas horizontales utilizando un equipo Pinacho SE
200 x 750, como se aprecia en la figura 9.
Fig. 5. Depósitos de prueba preliminar.
Fig. 6. Depósito para prueba de traslape entre cordones.
Fig. 7. Pared depositada para extraer probetas de tracción.
Fig. 8. Precorte de la pared depositada para extraer probetas de tracción.
TABLA III
PARÁMETROS OPERATIVOS APROBADOS EN INSPECCIÓN VISUAL
Velocidad
de
alimentació
n [m/min]
Velocidad de avance
[mm/min]
Tensión [V]
Corriente
[A]
5
200
24
80-93
5
450
24
74-90
6
200
25
83-100
6
450
25
90-107
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4) Ensayos a tracción
Los ensayos, cuyo montaje se presenta en la figura 10, se
realizaron en la máquina universal de ensayos SHIMADZU
UH-500kN a una temperatura ambiente de 21°C. A partir de las
curvas de carga-desplazamiento, se obtuvo la resistencia a la
fluencia, la resistencia a la tracción y el porcentaje de
elongación, las cuales fueron comparadas contra los valores
esperados según la AWS A5.18.
Fig. 10. Realización del ensayo de tracción.
III. RESULTADOS
En la tabla IV se presentan los resultados de las propiedades
mecánicas obtenidas en cada probeta.
La tabla V muestra los valores de media aritmética para cada
propiedad y el correspondiente valor esperado de acuerdo con
la especificación AWS A5.18.
TABLA V
MEDIA ARITMÉTICA DE LAS PROPIEDADES MECÁNICAS
OBTENIDAS
Dato
Resistencia a la
fluencia al 0,2%
[MPa]
Resistencia a la
tracción [MPa]
Porcentaje de
elongación
[%]
Valor esperado
400
490
22
Probeta vertical
389
458
16
Probeta horizontal
402
504
31
A partir de la prueba realizada se determinó que es viable la
generación de una pared metálica, a través de la deposición
multicapa con GMAW convencional automatizado y que para
mejorar el proceso fue importante el tiempo de espera entre
capas lo que permitió que se regulara la temperatura y por tanto
la solidificación hizo que la apariencia superficial del cordón y
de la pared en general, fuera más uniforme. Como la trayectoria
que inició siempre en el mismo punto hizo que el depósito
tuviera una altura no homogénea, siendo mucho mayor en el
punto de inicio de arco que en la zona de finalización, lo que se
puede compensar haciendo una aplicación que invierta el
sentido de inicio y finalización de cada capa.
Con el gas CO
2
la salpicadura fue excesiva, lo que va en
detrimento de la eficiencia del proceso por las pérdidas tanto en
salpicadura como en los humos generados, a su vez puede
afectar otras partes del CNC que están siendo cubiertas por
salpicadura, razón por la cual es importante cambiar el tipo de
gas sencillo de 100% CO
2
por una mezcla habitual en la
industria nacional y recomendada por los fabricantes de gases,
normalmente se consiguen SG-AC-20 (80% Ar, 20% CO
2
),
SG-ACO-16/3 (81% Ar, 16% CO
2
, 3% O), con ello se puede
mejorar las características operativas (disminuir salpicadura,
mayor eficiencia de deposición, mejorar la acción de mojado,
estabilizar el arco) y evitar que se disminuyan las propiedades
mecánicas.
El sustrato se deformó por la transferencia de calor ineficiente
de la base de trabajo y al no estar anclado existió el riesgo de
desplazamiento del punto de inicio que a pesar de corregirse
visualmente no es lo suficientemente preciso, por ello es
imperativo diseñar un sistema de anclaje que evite la
deformación del sustrato, ya que esto también modifica el
CTWD, aumentando la inestabilidad del arco e incide en la
geometría de los cordones y los potenciales defectos.
El valor promedio obtenido de las propiedades mecánicas
obtenidas se encuentra dentro de lo conseguido por otras
investigaciones y que según R. Nunes [23] para las probetas en
la dirección paralela a la dirección de deposición se obtuvo que
la resistencia máxima a la tracción es de 472 ± 60 MPa, la
resistencia a la fluencia 361 ± 79 MPa y el porcentaje de
elongación 34 ± 8 %, ahora bien, para la dirección normal a la
dirección de deposición los datos indican que la resistencia
máxima a la tracción fue de 511 MPa, la resistencia a la fluencia
395 MPa y el porcentaje de elongación 21 %, con la salvedad
de que es el único resultado que R. Nunes [23] presenta en su
investigación. Los valores obtenidos por la experimentación de
Fig. 9. Mecanizado de las probetas de tracción.
Fig. 12. Realización del ensayo de tracción.
TABLA IV
PROPIEDADES MECÁNICAS OBTENIDAS
ID Probeta
Tipo de probeta
Resistencia
a la fluencia
al 0,2%
[MPa]
Resistencia
a la
tracción
[MPa]
Porcentaje
de
elongación
[%]
1
Vertical
360
452
15
2
Vertical
417
464
17
4
Horizontal
408
512
33
5
Horizontal
408
508
27
6
Horizontal
390
493
32
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R. Nunes [23] son superiores en cuanto a los datos
anteriormente expuestos, pero es importante tener en cuenta que
el tipo de transferencia es distinta a la probada en el desarrollo
de la presente investigación (GMAW-S), este es un factor
adicional a considerar en desarrollos futuros.
IV. CONCLUSIONES
Con base en los resultados obtenidos de las propiedades
mecánicas convencionales de resistencia a la fluencia al 0,2%,
resistencia a la tracción y el porcentaje de elongación, del metal
de soldadura depositado con GMAW utilizando un alambre
ER70S-6, se presentan las siguientes conclusiones:
• Las propiedades mecánicas en la dirección vertical son
menores comparadas con la dirección horizontal. La
resistencia a la fluencia al 0,2% es menor en un 3%, la
resistencia máxima a la tracción en 9% y el porcentaje de
elongación en 48%, siendo muy evidente la diferencia en
la elongación.
• Las propiedades mecánicas obtenidas no superan en todos
los casos los valores mínimos especificados para el metal
de aporte ER70S-6, definido por la especificación AWS
A5.18 y descrito en la tabla II, especialmente en las
probetas verticales donde únicamente la resistencia a la
fluencia de la probeta 2 es mayor al valor requerido,
mientras que las demás propiedades son inferiores a lo
especificado.
• En la dirección horizontal si es posible alcanzar los valores
mínimos esperados de acuerdo con la especificación del
metal de aporte, siendo el porcentaje de elongación la
propiedad que exhibe un comportamiento destacable,
mientras que la resistencia a la fluencia y a la tracción están
muy cercanos al valor mínimo especificado.
• La media aritmética de las propiedades mecánicas de las
probetas verticales no cumple el requisito especificado por
AWS A5.18 mientras que en las probetas horizontales si
cumplen el requerimiento normativo.
• A pesar de que en la especificación AWS A5.18, se indica
que los ensayos se realizan en la dirección horizontal y no
contempla la realización de pruebas transversales a la
dirección de avance es la única especificación adecuada
para comparar las propiedades obtenidas.
• Con este tipo de proceso de soldadura y alambre sólido
utilizado en WAAM, es posible realizar partes metálicas de
acero al carbono alcanzado las propiedades mecánicas
requeridas por la especificación para el metal de aporte,
realizando una mayor cantidad de pruebas en diferentes
rangos de las variables del proceso a partir de los equipos
disponibles e implementando una metodología de
aseguramiento de la calidad.
• En trabajos posteriores es importante incrementar la
cantidad de réplicas a partir de estos datos obtenidos y con
la nueva información que surgen de investigaciones
paralelas, teniendo en consideración entre otros aspectos,
los siguientes: que la máquina de soldadura permita o no,
modificar el tipo de transferencia y para ello incluir
también las variables necesarias como el tipo de gas y
parámetros eléctricos, adicionar alguna inspección no
destructiva para detectar discontinuidades y alinear los
resultados con la normatividad que esté vigente, incluir
algún modelado del mecanismo de transferencia de calor
que permita mejorar el proceso o que intente predecir las
deformaciones que repercutirán en los esfuerzos residuales
y finalmente incluir otras propiedades como la tenacidad a
la entalla y microdureza.
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Elmer Cepeda Gómez es ingeniero mecánico de la
Universidad Nacional de Colombia y Especialista en
Soldadura de la Universidad Libre. Cuenta con experiencia
industrial en procesos de unión y corte de metales. Ha sido
becario como docente auxiliar en la Universidad Nacional
de Colombia, actualmente es profesor de tiempo completo
en el departamento de Mecatrónica de la Universidad de
San Buenaventura en Bogotá D.C., y se encuentra
trabajando en la tesis “Desarrollo de un proceso de
manufactura aditiva con arco eléctrico y alambre para
soldar (WAAM) empleando acero al carbono ER70S-6”
para optar al título de Magister en Materiales en la
Universidad Nacional de Colombia, sede Bogotá.
https://orcid.org/0009-0007-9038-2215
https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/gener
arCurriculoCv.do?cod_rh=0001708879
Yeimy Caterine Poveda Castillo es ingeniera mecánica
con magister en Ingeniería de la Fundación Universitaria
Los Libertadores. Realizó el trabajo de grado “Desarrollo
de un simulador de manufactura aditiva por soldadura por
arco (WAAM) para el centro de mecanizado Leadwell
V20i de la Fundación Universitaria Los Libertadores”.
Actualmente es profesora asistente del programa de
Ingeniería Mecánica de la Fundación Universitaria Los
Libertadores. https://orcid.org/0000-0002-0992-1418
https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/gener
arCurriculoCv.do?cod_rh=0002035668
Ubaldo García Zaragoza es ingeniero mecánico de la
Universidad Santo Tomás con maestría en ingeniería
mecánica de la Universidad Nacional de Colombia.
Actualmente es profesor de Ingeniería Mecatrónica de la
Universidad ECCI y su línea de investigación es la
Manufactura Aditiva mediante soldadura por Arco
Eléctrico WAAM, empleando un enfoque integral que
abarca desde la simulación del proceso tanto en CNC como
en robots industriales hasta el control de calidad de
componentes fabricados con dicha tecnología.
https://orcid.org/0000-0003-0144-6920
https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/gener
arCurriculoCv.do?cod_rh=0001422881
Carlos A. Narváez-Tovar es ingeniero mecánico,
magister en ingeniería - materiales y procesos, y doctor en
ingeniería - ciencia y tecnología de materiales de la
Universidad Nacional de Colombia. Cuenta con la
certificación profesional Certified Additive Manufacturing
Fundamentals (CAMF) otorgada por la Society of
Manufacturing Engineers (SME) desde julio de 2024.
Actualmente es profesor asociado del Departamento de
Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica y
Mecatrónica de la Universidad Nacional de Colombia sede
Bogotá. Su línea de investigación actual es el Diseño para
Scientia et Technica Año XXVIII, Vol. 29, No. 01, enero-marzo de 2024. Universidad Tecnológica de Pereira.
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Manufactura Aditiva, dirigiendo proyectos y tesis para
procesos aditivos con polímeros (FDM, DLP, SLS) y
metales (WAAM, SLM). https://orcid.org/0000-0001-
6102-9841
https://scienti.minciencias.gov.co/cvlac/visualizador/gener
arCurriculoCv.do?cod_rh=0000621803