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Tema 2
Sistemas de control de calidad y seguridad para la construcción
Inspección de soldaduras
Generalidades.
Técnicas de inspección convencional y ultrasonido por arreglo de fases
2/9 Tabla de contenido
Pág.
1.- Resumen 1
2.- Procesos de soldadura 2
2.1.- Clasificación de los procesos de soldadura 2 2.2.- Características de los procesos de soldadura al arco eléctrico 4
2.2.1.- Soldadura al arco metálico protegido 4
2.2.2.- Soldadura al arco sumergido 4
2.2.3.- Soldadura con protección gaseosa del arco metálico 5 2.2.4.- Soldadura al arco eléctrico gas tungsteno 5
2.2.5.- Soldadura de arco auto protegido 6
3.- Ensayos e inspección de piezas soldadas 6
3.1.- Ensayos destructivos 6
3.2.- Ensayos no destructivas 7
3.2.1.- Prueba visual 8
3.2.2.- Partículas magnéticas 8
3.2.3.- Líquidos penetrantes 8
3.2.4.- Radiográfica 8
3.2.5.- Ultrasónica 8
3.2.5.1.- Ultrasonido convencional 8
3.2.5.2.- Ultrasonido por arreglo de fases 9
4.- Conclusiones 10
5.- Recomendaciones 10
6.- Referencias bibliográficas 10
Resumen: La soldadura se ha utilizado desde la antigüedad y durante los
siglos diversas técnicas de soldadura se han ideado para la fabricación de utensilios que son necesarios para la vida diaria y artística. Desde hace más de mil años, espadas han sido hechas por soldadura forja y esculturas.
La invención del arco eléctrico a principios del siglo 19 marcó el comienzo del rápido progreso de la tecnología de la soldadura en los tiempos modernos. Hoy en día, la soldadura por arco se ha convertido en un método indispensable para unir metales en diversos campos de la industria, tales como construcciones civiles, construcción naval, fabricación de vehículos, fabricación de maquinaria, entre otros.
La confiabilidad de las estructuras de acero depende en factores como la calidad de las soldaduras. Así como la calidad de las soldaduras depende de la calidad de los materiales de acero, consumibles de soldadura, procedimientos de soldadura y la integridad en el control de calidad. Para la adecuada
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soldadura y para llevar a cabo el control de calidad, el personal a cargo de la soldadura debe tener un conocimiento adecuado de la tecnología de soldadura. Motivo por el cual se recomienda el adiestramiento de inspectores de soldadura y técnicas afines como las destructivas y no destructivas.
2.- Procesos de soldadura
2.1.- Clasificación de los procesos de soldadura: La soldadura es un método
de unión de metales en la que el calor y / o presión se aplica a la zona de contacto entre los dos componentes; un metal de relleno se puede añadir en la articulación en función del proceso de soldadura. (Ver figura 2.1)
Fig. 2.1. Clasificación de los métodos de unión.
Métodos de soldadura se podrían clasificar en procesos de presión, procesos de fusión, soldadura fuerte (Brazing) y soldadura blanda (Soldering) como se muestra en la Fig. 2.1. En los procesos de presión, la unión se realiza mediante la aplicación de presión a la zona de contacto de al menos dos (2)
componentes, los cuales puede o no puede ser calentado hasta un estado fundido. En los procesos de fusión, al menos dos (2) componentes se unen mediante el calentamiento de la zona de contacto a un estado fundido y no se aplica presión.
En la soldadura fuerte y blanda, el material de relleno tiene un punto de fusión más bajo que la del metal de base y se funde mediante un gas aplicado a la zona de contacto o en un horno. El material de relleno moja la superficie del metal base y se dibuja o cubre la cavidad mediante acción capilar sin la fusión de los metales base. Estos procesos de soldadura pueden ser clasificados,
Método de unión
Remache, tornillo, ajuste de contracción Métodos
mecánico s
Métodos metalúrgicos
Procesos por presión
Gas pressure welding. Resistance welding. Forge welding. Ultrasonic welding. Friction welding. Cold pressure welding. Explosion welding
Procesos por fusión
Soldadura fuerte y blanda
Oxyfuel gas welding. Thermit welding. Electroslag welding Electron beam welding. Laser beam welding. Arc welding
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como se muestra en la Fig. 2.1, por la fuente de calor utilizado, el método de aplicación de presión o propiedades del material de relleno. De estos
numerosos procesos de soldadura, los principales procesos de soldadura al arco eléctrico se describen a continuación.
2.2.- Características de los procesos de soldadura al arco eléctrico: Entre
los procesos de soldadura que muestran en la Fig. 2.1, la soldadura al arco eléctrico es el proceso de unión de metal más utilizado. Se genera un arco eléctrico entre un metal base y electrodo. El calor del arco funde el metal de base y consumible para producir el metal de soldadura.
En los procesos de soldadura al arco, cuando el electrodo sirve para generar el arco y al mismo tiempo como el metal de relleno, se le denomina: soldadura consumible-electrodo, ejemplos de estos procesos son soldadura por arco de metal, soldadura por arco metálico con gas, soldadura por arco sumergido, soldadura de arco auto-protegido, entre otros.
2.2.1.- Soldadura al arco metálico protegido: Se utilizan electrodos cubiertos,
inventado en 1907, ver Fig. 2.1, es un proceso sencillo y bajo costo de equipo. El calor generado por el arco generado entre el electrodo y el metal de base se utiliza para la soldadura. Se aplica para unirse a casi todos los tipos de metales comunes, se utilizan diversos tipos de electrodos revestidos.
El otro enfoque para soldadura por arco cuando el electrodo no se funde y sirve para generar el arco para fundir tanto el metal de base y consumible de
soldadura, se denomina el proceso de soldadura no consumible-electrodo. Ejemplos: gas - tungsteno soldadura al arco y soldadura por plasma. Las
características generales de los procesos de soldadura por arco en el uso frecuente se describen en las siguientes secciones.
Fig. 2.1 Proceso de soldadura al arco eléctrico protegido.
2.2.- Soldadura al arco sumergido: Inventado en 1935. Proceso eficiente,
puede utilizar corrientes de 500 a 1.300 amperios, obteniendo mayor penetración en el metal base.
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Fig. 2.2- Principio para el proceso de soldadura al arco sumergido.
2.2.3.- Soldadura con protección gaseosa
del arco metálico: Se genera un arco entre
un sólido o con núcleo de fundente (tubular con núcleo) electrodo de alambre y un metal base, mientras que el arco se protege con una mezcla de gas protector o gas tal como se muestra en la Fig. 2.3.
Dependiendo del tipo de gas de protección, este proceso también se conoce como soldadura con gas activo CO2 y soldadura de gas inerte de metal. La soldadura con mezclas de gases (CO2 + Ar) es más popular en Venezuela.
Fig. 2.3.- Equipo y principio para el proceso de soldadura al arco eléctrico con
protección gaseosa.
2.2.4.- Soldadura al arco eléctrico gas
tungsteno: También conocido soldadura
de gas inerte de tungsteno, ver Fig. 2.4. Se genera un arco entre el electrodo de
tungsteno (no consumible) y metal de base en un escudo de gas inerte (Ar, por
ejemplo, puro) y una varilla de relleno o de alambre se introduce en el arco para depositar metal de aporte. Este proceso se utiliza para la soldadura de casi todos los tipos de metales.
Fig. 2.4.- Proceso de soldadura al arco con electrodo de tungsteno.
2.2.5 Soldadura de arco auto protegido: En soldadura de arco auto protegido
(no protegido con gas), los gases son generados a partir de la interacción entre el alambre con núcleo de fundente y por lo que no se requiere ga6s de
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Fig. 2.5.- Soldadura al arco eléctrico auto protegido
3.- Ensayos e inspección de piezas soldadas
Una estructura soldada debe ser segura y fiable. A menudo se dice que la integridad de un conjunto soldado sólo puede lograrse cuando se suelda el diseño, la fabricación de soldadura, materiales, y la habilidad de soldadura son todos apropiados. Pero estos cuidados no garantiza necesariamente la calidad de la estructura soldada, debido a la soldadura siempre trae consigo algunos cambios metalúrgicos, distorsión y esfuerzos residuales motivo por el cual se necesitan pruebas e inspección con el fin de confirmar que la soldadura cumple con los requisitos.
En las pruebas, una soldadura se examina de acuerdo con un procedimiento establecido. En la inspección, los resultados de la prueba se comprueban si cumplen los criterios de la especificación y tienen que ser juzgados por un inspector calificado. Varios ensayos e inspecciones se llevan a cabo de acuerdo con las especificaciones requeridas, teniendo en cuenta el tipo de estructura y factores ambientales como la temperatura operativa, corrosión y desgaste mecánico. La inspección debe llevarse a cabo antes, durante y después la realización de unión soldada. La tabla 3.1, muestra varios elementos de
inspección que deben realizar durante cada etapa de la realización de uniones mediante soldadura.
3.1.- Ensayos destructivos: Evalúa las propiedades mecánicas, química,
propiedades metalúrgicas de una soldadura por rotura, deformación o procesa químicamente muestras de ensayo extraídas de una unión soldada. Son métodos directo para examinar las cualidades de la soldadura. Pueden
clasificarse en ensayos mecánicos, ensayos químicos y pruebas de estructura, ver Fig. 3.1. Se utilizan para confirmar si o no los procedimientos de soldadura pueden producir la calidad requerida. Perteneciente a este grupo: ensayos de tracción, doblez, impacto, dureza, entre otros.
3.2.- Ensayos no destructivos: Ensayos los cuales no alteran las propiedades
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por aplicación de radiación ionizantes, electricidad, magnetismo, ondas mecánicas, entre otras.
Tabla 3.1.- Etapas de inspección de soldaduras.
Etapa de
inspeccion Items a ser inspeccinado
(1)Equipos de soldadura Verificacion de la fuente de poder y sus accesorios, pinzas,etc
(2)Consumbles Verificacion de dimension, composicion quimica,
propiedades mecanicas y soldabilidad de los consumibles Antes de la
soldadura (3)Material base
Verificacion de composicion quimica, propiedades mecanica y tratamiento termico
(4)Juntas
Verificacion del angulo de bisel, apertura de raiz, condiciones superficiales de la junta de soldadura Verificacion de los cordones de puntuado
(5)realizacion de soldadura Verificacion de las condiciones de soldadura, precalentamiento y post calentamiento (6)Habilidades de soldadores y/o
operadores
Verificacion de la calificacion de soldadores y/o operadores
Durante la
(1) Discontinuidades y distosion de soldaduras
Chequeo de la apariencia del as uniones y distorsion de las saoldaduras
soldadura
(2) Condiciones de soldaduras
Chequeo de los parametros operativos, corriente, voltaje, secuencia de pases, posicion, flujo de gases
temperaturas de pre y/o post calenetamiento Despues de la (1) Confirmacion de tratamientos termicos adecuados.
soldadura (2) Ubicación, evaluacion de discontinuidades, distorsion, dimensiones
Fig. 3.1 — Clasificacion de los metodos de ensayo
3.2.1.- Prueba visual: Se examina la apariencia, dimensiones de soldadura y
discontinuidades de soldadura en la superficie como socavaduras,
solapamiento, grietas, porosidades, inclusiones de escoria. Esta prueba es simple, bajo costo y es capaz de examinar muchas zonas de soldadura a la vez.
3.2.2.- Partículas magnéticas: materiales ferromagnéticos pueden ser
fácilmente magnetizados. Por lo tanto, si hay alguna discontinuidad en o cerca de las superficies de una estructura soldada, los polos magnéticos se
desarrollarán en ambos lados de la discontinuidad, produciendo el flujo Método de ensayo Ensayos mecánicos Ensayos destructivos Ensayos no destructivos Ensayos químicos
Análisis químicos. Corrosión Hidrogeno difusible
Ensayo estructural
Macro - ataque. Micro - ataque. Superfie de fractura Ensayo de tracción. Doblez Dureza. Impacto. Fatiga Fluencia lenta
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magnético, ubicación donde se acumulan las partículas revelando interrupciones en el material.
3.2.3.- Líquidos penetrantes: Se utilizan penetrante fluorescente o rojo para
visualizar discontinuidades como grietas y porosidades que abren a la
superficie. Se aplica un penetrante el cual entra por fenómeno de capilaridad. Después de un proceso de limpieza y revelado la discontinuidad se muestra en la superficie, por contraste de color.
3.2.4.- Radiográfica: Se basa en la emisión de radiación ionizante, onda
electromagnética (longitud de onda corta, capacidad de penetración elevada). Esta capacidad de penetración se utiliza para detectar defectos dentro de soldaduras. La capacidad de penetración varía dependiendo del tipo y espesor del material. La intensidad de la radiación cambia en donde hay una
discontinuidad, lo que refleja un cambio en la foto sensibilidad. La intensidad de la radiación se vuelve más densa en la mayoría de las discontinuidades a excepción de inclusiones de tungsteno. Las partes más oscuras de la película negativa indican la existencia de discontinuidades como agujeros, falta de fusión, falta de penetración, inclusiones de escoria, grietas. Un punto brillante en la película negativa indica una incrustación de tungsteno.
Fig. 3.2.- Representación A-scan de discontinuidad a diversas profundidades.
3.2.5.- Ultrasónica: Mediante la generación de ondas de alta frecuencia o
ondas sónicas de 0,5-20 MHz, se introducen en los materiales con la finalidad de localizar, dimensionar y caracterizar discontinuidades superficiales o
internas. Un haz es dirigido en una trayectoria predecible y se refleja en las interfaces u otras interrupciones en la continuidad de material.
3.2.5.1.- Ultrasonido convencional: El ultrasonido se propaga desde un
transductor a un objeto de prueba, cruza varias interfaces con diferentes impedancias acústicas (densidad por velocidad acústica) antes de ser detectado por el transductor de recepción.
Si el transductor de recepción es el mismo que la fuente, la configuración se denomina eco-pulso, mientras que si el transductor de recepción es un
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causa una pérdida de energía a partir de reflexiones. Una representación grafica A-scan se muestra a continuación.
Una de las características que debe presentar el examinador es la habilidad de identificar las señales. En la actualidad programas como el OmniPC o
Tomoview de Olympus-ims, facilita esta labor como se muestra en la figura 3.3.
Fig. 3.3. Señal de una falta de fusión en la raíz en presentación A-Scan a la izquierda y A-End a la derecha
3.2.5.2.- Ultrasonido por arreglo de fases: Pequeños frentes de onda puede
ser retardada en tiempo, sincronizadas en fases y la amplitud para crear un haz. Este frente de onda se basa en una interferencia constructiva y produce un haz
enfocado con capacidad de dirección. Un diagrama de bloques de las señales retardadas emitidas y recibidas de los equipos de red en fase se presenta en la Figura 3.4.
Fig. 3.4. Formación de onda y tiempo de retardo (misma fase y amplitud).
Fig. 3.5. Izquierda falla entre alma y ala en IPN, centro e izquierda indicaciones provenientes de soldaduras entre alas de IPN
Una de las ventajas del ultrasonido por arreglo de fases es la visualización de piezas bajo estudio por diversas presentaciones donde se indican por
coloración las indicaciones, las cuales serán evaluadas y aceptadas o rechazadas (ver Fig. 3.5)
La técnica de arreglo de fases utiliza hardware y software complejo para proporcionar mayor nivel de examinación y capacidad interpretativa. A
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prácticos, hay dos maneras de inspeccionar una soldadura con arreglos de fase: manualmente o con el uso de posicionadores. Las configuraciones y datos pueden ser guardados. El método elegido dependerá de los costos, la velocidad requerida y especificaciones del cliente.
Examinación por arreglo de fases manual: Al ser parecido al UT
convencional, presenta la ventaja, que es conceptualmente más fácil de entender, mientras que esta más cerca de los códigos de inspección de soldadura. Las ventajas de este tipo de inspección son la velocidad de inspección, el operador puede realizar tres exploraciones a la vez.
Conforme a la COVENIN 1618 - 1998A, "la inspección de las soldaduras se hará de acuerdo con los requisitos de la Norma AWS D1.1 vigente, . . .". La AWS D1.1 - 2015 en 6.34, permite la inspección por la técnica de arreglo de fases. La técnica facilita la ubicación de las interrupción estructurales, las cuales deberán ser evaluadas siguiendo las recomendaciones de la AWS D1.1 - 2015. Sin embargo, se debe realizar la verificación de las condiciones operativas del equipo y su puesta a punto considerando las dimensiones del material base y junta soldada así como las condiciones de corrección por transferencia.
4.- Conclusiones
.- La inspección y examinación de soldadura tiene que ser realizado por personal entrenado, calificado y certificado.
.- Las nuevas técnicas de examinación incrementan la probabilidad de detección de interrupciones en uniones soldadas.
5.- Recomendaciones
.- Preparar centros para adiestramiento inspectores de soldaduras y examinadores por técnicas no destructiva de uniones soldadas.
6.- Referencias bibliográficas
.- The ABC’s of Arc Welding and Inspection - KOBE STEEL, LTD - 2015. .- Jefferson’s. Welding Encyclopedia. 8th Edition. 1997. AWS
.- AWS - Welding Quality Assurance Guideline for Fabricators. 2004.
.- AWS - Welding Handbook - Welding Technology. Vol. 1. 8th Edition. 1987. .- American society for non destructive testing. Non destructive testing
handbook. Volume 7. Third edition. Ultrasonic testing. Technical editors Gary L Workman, Doron Kishoni. Editor Patrick O Moore. 1997.
.- Advances in phased array ultrasonic technology applications. Olympus NDT. Advanced practical NDT series. 2007.
