DEFECTOS EN SOLDADURA Discontinuidades y defectos en soldadura. Víctor Osorio L. Víctor Osorio L. DEFECTOS EN SOLDAD
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DEFECTOS EN SOLDADURA
Discontinuidades y defectos en soldadura.
Víctor Osorio L.
Víctor Osorio L. DEFECTOS EN SOLDADURA
Discontinuidad
Defecto
Falla
Discontinuidad es una interrupción de la estructura tipica de una soldadura, como la falta de homogeneidad en las características mecánicas, metalúrgicas y/o físicas del material o de la unión soldada (historia previa del material). Defecto es una discontinuidad o discontinuidades que por su naturaleza o efecto acumulado, no logran los criterios de aceptación minimos pedidos por la norma o especificacion. Falla es cuando la pieza se fractura es la separación del sólido bajo tensión en dos o mas partes. Ductil (fcc) Fragil (transgranular; hcp, bcc a bajas Tº)
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DEFECTOS
Indicación: evidencia de una discontinuidad resultante que se relaciona con alguna propiedad del material mediante la aplicación de un END. Interpretación de la indicación consiste en hallar la correlación entre la indicación observada con la naturaleza, morfología, situación, orientación, posición y tamaño de la discontinuidad (heterogeneidad). Evaluación de Indicaciones: consiste en hallar la correlación entre la discontinuidad detectada con con su efecto posterior en las propiedades requeridas de la unión, luego de que la indicación ha sido interpretada. De la evaluación surgirá sí la indicación es irrelevante es un defecto. Con esta evaluación se decide, si la union soldada debe ser rechazada, reparada o aceptada para su uso.
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DEFECTOS
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• Métodos no destructivos de Ensayo: • • • • • • • •
RT - Radiografía (Radiographic testing) UT - Ultrasonido (Ultrasonic testing) MT - Partículas magnéticas (Magnetic testing) PT - Líquidos penetrantes (Penetrant liquids testing) VT - Evaluación visual (Visual testing) LT - Ensayo de estanqueidad (Leak testing) ET - Corrientes parásitas (Eddy’s current testing) AE - Emisión acústica (Acustic emission)
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DEFECTOS
• Indicaciones alargadas (linear indications) son aquellas indicaciones cuya longitud L es mayor a 3 veces su ancho A: (L > 3A). • Indicaciones redondeadas (rounded indications) Son aquellas indicaciones cuya longitud L es menor o igual a 3 veces su ancho A: ( L 3A ). • Indicaciones alineadas (radiografía) Tres o más indicaciones alineadas aproximadamente paralelas al eje de la soldadura, suficientemente cerca entre ellas como para ser considerada discontinuidad única e intermitente.
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NORMAS
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• Norma: calidad mínima requerida para un producto o servicio. • La razón para aplicar normas y códigos es asegurar que una unión soldada tendrá un desempeño adecuado para la función que fue diseñada, con condiciones de seguridad, y consistencia.
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NORMAS
Las normas en las construcciones soldadas se utilizan porque: • Son compendios de exigencias originadas en experiencias catastróficas. • Reúnen el conocimiento los intereses y las necesidades, buscando el bien común de la sociedad. • Deben aplicarse con consistencia y tomando una sola a la ves, pudiendo complementarlas con exigencias adicionales.
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NORMAS
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Algunas normas hutilizadas en las construcciones soldadas: • AWS – American Welding Society • ASME – American Society of Mechanical Engineers • ASME B31, “Code for Pressure Piping” • ANSI/AWS D1.1 “Structural Welding CodeSteel” • BPVC – “The ASME Boiler and Pressure Vessel CodeASNT – American Society of Nondestructive Testing • API – American Petroleum Institute
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NORMAS
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• ANSI – “American National Standards Institute • ASTM – Inicialmente era conocida como “American Society for Testing and Materials • EN – Normas Europeas (European Normalisation) • BSA (normas BS) – British Standard Association • DIN – Instituto Alemán de Normalización (Deutsches Institute fuer Normung)
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NORMAS
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• AFNOR (normas NF) – Asociación Francesa de Normalización (Association Francaise de Normalisation) • JSA (normas JIS) – Japanese Standards Association • UNIT – Instituto Uruguayo de Normas Técnicas • ISO – International Organization for Standardization • INN Instituto Nacional de Normalización Chile
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NORMAS
Uso de normas relacionadas con soldadura: Cuatro tipos de normas pueden ser utilizadas en la fabricación, montaje, y reparación de uniones soldadas: • 1.Normas para el diseño, construcción y reparación del equipo (recipiente, tanque, cañería, intercambiador, caldera, horno, reactor, etc).
• 2.Normas para especificación y calificación de procedimientos de soldadura. • 3.Normas para calificación de soldadores. • 4.Normas de control de calidad mediante ensayos no destructivos y sus criterios de aceptación
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NORMAS
• Las normas nacionales o internacionales pueden ser complementadas con los requisitos propios de cada empresa. • Las normas están en continua revisión, y sufren modificaciones (en muchos casos en forma anual) motivadas por: a) errores en la misma, o b) demasiadas exigencias, o c) no incluyen nuevos desarrollos tecnológicos. DEBE UTILIZARSE LA ÚLTIMA EDICIÓN DE LAS NORMAS.
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NORMAS
Normalización de los ENDs (Ensayos No Destructivos): • Todas las normas mencionadas, cuando tratan de las discontinuidades que son aceptadas o rechazadas, hacen referencia a ENDs. Por ejemplo cuando se manejan las normas de diseño ASME, todas ellas hacen referencia a la Sección V del BPVC de ASME. Esta Sección indica en qué condiciones deben ser realizados los ensayos no destructivos utilizados en la evaluación de las discontinuidades de las soldaduras.
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NORMAS
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• Cada norma utilizada, tanto en el diseño, construcción, calificación de los procedimientos y calificación de los soldadores, señalan los límites para la aceptación o rechazo de las discontinuidades detectadas con los ENDs. • Normalmente no coinciden estos límites para el diseño / construcción, la calificación de procedimientos, y de soldadores, pues por sentido común hay que exigir más cuando se califican a los soldadores que cuando luego se evalúan las discontinuidades en el trabajo.
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NORMAS
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Veamos qué especifican las normas en cuanto a los ENDs: • AWS D1.1: Los END se hacen utilizando los lineamientos de la ANSI/AWS B1.0 “Guide for Nondestructive Inspection of Welds”, y la metodología debe conformar a diversas normas ASTM. El personal que hace los ENDs debe estar calificado de acuerdo con la ASNT RP SNT-TC-1A. • API 1104: La radiografía se hace con los procedimientos de la misma norma, los ICI surgen de ASTM E 142 ó E 747; los procedimientos de las otras técnicas de ENDs deben cumplir con otras normas ASTM. Los que interpretan las placas deben ser Niveles II ó III exclusivamente (no dice de qué norma, pero se supone que es ASNT).
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NORMAS
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• ASME (BPVC y B31): Los ENDs se realizan con procedimientos dados por la Sección V del BPVC. El personal que hace los ENDs debe estar certificado de acuerdo con ASNT. • API 620/650: Ídem al ASME.
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NORMAS
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Mínimas condiciones para realizar un adecuado control de obra según normas: Para hacer un correcto seguimiento de la obra lo básico que se debe saber, además de las normas aplicables, es lo siguiente: • 1) Deben estar indicados en planos constructivos los tipos de soldadura, con la simbología correspondiente: soldaduras a tope (en cañerías y recipientes serán de penetración total), dimensiones de los catetos en las soldaduras filete (continuas o intermitentes, y en este último caso el largo y separación de los cordones). • 2) Debe solicitarse o reunirse la siguiente documentación: procedimientos de soldaduras calificados a utilizar, soldadores calificados, tipos de controles (inspección visual y demás ENDs).
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NORMAS
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• Debe exigirse a la empresa ejecutora del trabajo que se haga responsable de la calidad del mismo, mediante el cumplimiento de lo indicado por la(s) norma(s) exigida(s). Absolutamente todas la normas establecen que el fabricante es el responsable del fiel cumplimiento de las especificaciones, y debe contar con personal competente y maquinaria apta para tal fin. • Pero es fundamental que al fabricante se le indique claramente y sin ambigüedades qué normas deben aplicarse, pues buena parte del éxito de una obra radicará en las adecuadas especificaciones técnicas.
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DEFECTOS
• UNIÓN SOLDADA • ZAC: Zona Afectada por el Calor • MB: Metal Base • MF: Metal Fundido ZAC1
MB1
MF
ZAC2
MB2
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DEFECTOS
SOLDADURAS A TOPE
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SOLDADURAS DE FILETE
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DIMENSIONES DE LAS SOLDADURAS DE FILETE
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Separación de raiz de la soldadura a tope y de filete.
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Clasificación de los defectos de soldadura de acuerdo a su ubicación:
A. Discontinuidades e imperfecciones superficiales
B. Discontinuidades e impurezas internas
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A. Discontinuidades e imperfecciones superficiales: a.1. Excesos de penetración a.1.1 uniforme a.1.2 descolgadura a.2. Falta de penetración (soldadura en V o en U)
a.2.1 parcial a.2.2 total
a.2.3 raíz cóncava a.2.4 raíz con rechupe a.3. Falta de relleno a.4. Mordedura a.5. Salpicadura
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a.6. Picadura a.7. Falta de continuidad a.8. Erosiones y huellas a.9.1 exceso de rebajado a.9.2-3huellas de mecanizado, amolado
a.9.4 martillazos a.9. Chispazos
a.10. Restos de electrodos
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B. Discontinuidades e impurezas internas b.1. Grieta
b.1.1 longitudinales b.1.2 transversales
b.1.3 de borde b.1.4 de cráter o estrella
b.2. Falta de penetración (soldadura en K en X o doble U) b.2.1 en la abertura de la raíz b.2.2 entre pasadas b.3. Falta de fusión b.3.1 en la abertura de la raíz b.3.2 lateral b.3.3 entre capas del cordón
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b.4. Inclusiones
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b.4.1 escoria b.4.2 óxidos
b.4.3 otros metales b.5. Cavidades y poros b.5.1 poros de morfología esferoidal b.5.2 poros de morfología alargados ó vermiculare b.5.3 poros capilares b.5.4porosidad
uniforme localizada lineal
b.5.5 rechupes
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Clasificación de los defectos de soldadura de acuerdo a su origen: I. Defectos relacionados con los procedimientos y los procesos
a. geométricos b. otros
II. Defectos metalúrgicos
III. Defectos de diseño
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I. Defectos relacionados con los procedimientos y los procesos a. Geométricos
Desalineamiento
mordeduras concavidad o convexidad
excesivo o deficiente refuerzo ángulo de refuerzo deficiente overlap descolgadura (exceso de penetración) penetración incompleta falta de fusión contracciones
irregularidades superficiales
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I. Defectos relacionados con los procedimientos y los procesos b. Geométricas
golpes de arco (arc strike)
inclusiones de escoria inclusión de tungsteno óxidos weld dressing chisporroteo (spatter) (salpicadura a5) crater
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II. Defectos metalúrgicos
Grietas o fisuras
grietas en caliente grietas en frío
grietas de recalentamiento (reheat) grietas por alivio de tensiones strain-age
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III. Defectos de diseño
cambios en sección concentrador de tensiones
diseño de la unión
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a) Porosidad uniformemente dispersa Imagen radiográfica: puntos redondeados de densidad mas oscura, tamaño diversos y distribución irregular
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b) Porosidad agrupada (Cluster porosity)
Imagen radiográfica: puntos redondeados o ligeramente alargados de una densidad mas oscura, agrupados pero irregularmente espaciados.
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c) Porosidad alineada (Linear porosity)
Imagen radiográfica: puntos redondeados y alargados de una densidad mas oscura, que pueden estar conectados y que forman una línea recta en el centro del ancho de la imagen.
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d) Porosidad vermicular o tipo gusanos (Piping porosity) • Es un poro de gas alargado.
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2)
Inclusiones (Inclusions)
a) Inclusiones de escoria (Slag inclusions)
Imagen radiográfica: un punto de forma irregular y de una densidad mas oscura, generalmente alargado ligeramente y aleatoriamente espaciado
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• Inclusiones de escoria tipo carrileras:
Imagen radiográfica: lineas alargadas paralelas o sencillas de una densidad mas oscura, de ancho irregular y con curvas en dirección longitudinal.
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b) Inclusiones de Tungsteno
Imagen radiográfica: puntos de forma irregular y de una densidad mas baja, distribuidas aleatoriamente en la imagen de la soldadura.
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• 3) Fusión incompleta (Incomplete fusion) o falta de fusión. • Discontinuidad bidimensional causada por la falta de unión entre los cordones de soldadura y el metal base, o entre los cordones de la soldadura. • Es el resultado de técnica de soldadura, preparación del metal base, o diseño de la junta inapropiados.
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• Soldaduras con fusión completa
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• Soldadura con fusión incompleta
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4)
Penetración incompleta o (Incomplete joint penetration)
falta
de
penetración
• Se produce cuando el metal fundido no logra formar coalescencia en todo el espesor de la junta. • Esta puede resultar de un insuficiente aporte de energía calórica, diseño de la junta inapropiado (por ejemplo demasiado espesor para ser penetrado por el arco, o visel insuficiente), o control lateral del arco inapropiado.
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• Penetración completa e incompleta
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• Penetración incompleta
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• Penetración incompleta
Imagen radiográfica: una banda de densidad mas oscura, con bordes paralelos muy rectos en el centro, del ancho de la imagen.
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5) Fisuras (Cracks) Ocurren en el metal base y en el metal de aporte, cuando las tensiones localizadas exceden la resistencia última del material. La mayor parte de las normas utilizadas consideran que las fisuras son, independientemente de su longitud, defectos y por lo tanto una vez detectadas deben eliminarse.
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Las grietas pueden clasificarse en: • a) Grietas en caliente: se desarrollan durante la solidificación y su propagación es intergranular. • b) Grietas en frío: se desarrollan luego de la solidificación, son asociadas comúnmente con fragilización por hidrógeno. Son intergranular y transgranular.
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• Grieta longitudinal en la raíz
Imagen radiográfica: líneas retorcidas y onduladas de una densidad mas oscura en cualquier lugar a través del largo de la imagen.
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• Grietas transversales
Imagen radiográfica: linea retorcida y ondulada de una densidad mas oscura a través de todo el ancho de la imagen.
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6) Socavadura / mordedura (“Undercut”) La socavadura es una muesca o canaleta o hendidura ubicada en los bordes de la soldadura; es un concentrador de tensiones y además disminuye el espesor de las planchas o caños, todo lo cual es perjudicial. Pueden darse en la raíz o en la cara de la soldadura. Asociadas generalmente con técnicas inapropiadas y/o corrientes excesivas de soldadura
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– Socavaduras de cara y de raíz.
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• Socavadura de cara
Imagen radiográfica: una densidad irregular más oscura a lo largo del borde de la imagen. Dicha densidad siempre será más oscura que la de la pieza a ser soldada.
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• Socavadura de raíz.
Imagen radiográfica: una densidad irregular mas oscura cerca del centro en el ancho de la imagen de la soldadura y a lo largo del borde de la imagen del cordón de raíz.
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7) Concavidad (Underfill) • Se produce cuando el metal de soldadura en la superficie de la cara externa, o en la superficie de la raíz interna, posee un nivel que está por debajo de la superficie adyacente del metal base.
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8) Garganta insuficiente (Insuficient throat) • Puede ser debido a una depresión en la cara de la soldadura de filete, disminuyendo la garganta, cuya dimensión debe cumplir la especificación dada por el proyectista para el tamaño del filete. 9) Catetos demasiado cortos (Insuficient legs) • Es un tamaño menor que el adecuado para su uso, en los catetos de la soldadura de filete. Es de índole similar a la discontinuidad anterior.
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10) Solape (Overlap) (Metal de soldadura apoyado sobre el metal base sin fundirlo) • Es la porción que sobresale del metal de soldadura más allá del límite de la soldadura o de su raíz. Se produce un falso borde de la soldadura, estando el metal de soldadura apoyado sobre el metal base sin haberlo fundido (como que se derramó el metal fundido sobre el metal base). Puede resultar por un deficiente control del proceso de soldadura, errónea selección de los materiales, o preparación del metal base inapropiados.
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11) Sobremonta excesiva (Weld reinforcement) • La sobremonta es un concentrador de tensiones y, además, un exceso de ésta aumenta las tensiones residuales, presentes en cualquier soldadura, debido al aporte sobrante. Por estos motivos las normas limitan el valor de R, que en general no debe exceder de 1/8” (3mm).
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12) “Laminaciones” (Laminations) • Son discontinuidades planas y alargadas en el metal base, encontrándose normalmente en la parte media del espesor de los materiales forjados (como lo son las planchas de acero utilizadas para construcción de recipientes o tanques, que se producen por laminado (rolado), el cual es un proceso de forja).
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13) Fisuras laminares (Lamellar tears) • Son fracturas en forma de terraza en el metal base, con orientación básicamente paralela a la superficie forjada. Son causadas por altos esfuerzos en la dirección del espesor que resultan del proceso de soldadura.
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14) Golpes de arco / apertura de arco / arranque de arco / chisporroteo (en el material base fuera de la soldadura) (Arc strike) • Imperfección localizada en la superficie del metal base, caracterizada por una ligera adición o falta de metal, resultante de la apertura accidental del arco eléctrico.
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15) Desalineación (High – Low) • Esta discontinuidad se da cuando en las uniones soldadas a tope las superficies que deberían ser paralelas se presentan desalineadas; también puede darse cuando se sueldan dos caños que se han presentado excéntricamente, o poseen ovalizaciones. Las normas limitan esta desalineación, normalmente en función del espesor de las partes a soldar. • Es frecuente que en la raíz de la soldadura esta desalineación origine un borde sin fundir.
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16) Salpicaduras (Spatter) • Son los glóbulos de metal de aporte transferidos durante la soldadura y adheridos a la superficie del metal base, o a la zona fundida ya solidificada. Es inevitable producir cierto grado de salpicaduras, pero deben limitarse eliminándose, aunque más no sea por estética, de la superficie soldada. Las salpicaduras pueden ser origen de microfisuras (como los arranques de arco sobre el metal base), y simultáneamente son un punto de inicio de la oxidación en superficies pintadas ya que tarde o temprano estos glóbulos podrán desprenderse del metal base, llevando consigo la pintura superficial allí localizada.
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17) Penetración excesiva (Excesive penetration) • En una soldadura simple desde un solo lado (típicamente soldaduras de cañerías), esta discontinuidad representa un exceso de metal aportado en la raíz de la soldadura que da lugar a descolgaduras de metal fundido.
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• Placa radiográfica con excesiva penetración.
Imagen radiográfica: una densidad mas clara en el centro del ancho de la imagen ya sea extendida a lo largo dela soldadura o en gotas circulares aisladas.
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18) Rechupes (de cráter) • Es la falta de metal de soldadura resultante de la contracción de la zona fundida, localizada en la cara de la soldadura.
19) Porosidad alargada en la raíz (Hollow - bead porosity (HB)) • Es definida como una porosidad alargada alineada a lo largo de la línea central de la soldadura que ocurre a lo largo del cordón de raíz de la soldadura.
20) Quemado a traves (Burn - Through (BT)) • Es definida como una porción del cordón de raíz donde una excesiva penetración ha causado que el metal de soldadura sea soplado hacia el interior, o puede que se descuelgue un excesivo metal fundido. Suele presentarse como una depresión no alargada, en forma de cráter, en la raíz.
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• Quemada a traves: (burn through)
Imagen radiográfica: una densidad localizada mas oscura con bordes borrosos en el centro del ancho de la imagen. Puede ser mas ancha que la imagen de la raíz.
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Falta de fusión
• Definición: discontinuidad en la soldadura en que la fusión no ocurre entre el material de soldadura y el metal base • Causa: Por un inadecuado ensamble del metal base, diseño de las juntas, o una insuficiente intensidad de corriente y voltaje en la soldadura • Para evitar la incompleta fusión, se deben especificar correctamente el procedimiento y parámetros de soldadura
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Falta de fusión
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• La mala manipulación de la soldadura al arco es probablemente la causa más común de la falta de fusión. La habilidad del soldador para manipular el arco es considerado el primer propósito en su calificación • Manipulación del arco – Velocidad de avance – Término de cada cordón – Tiempos de detención – Ángulo de ataque
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•
Existen 3 tipos de falta de fusión – Falta de fusión en lado del cordón – Falta de fusión en el centro de la soldadura – Falta de fusión en la raíz de la soldadura
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Falta de penetración • Definición: Falta de fusión en la raíz de la soldadura • Causa: falta de energía calórica en la zona de fusión, no completando la sección transversal
• El refuerzo es una solución, pero no basta ya que siempre es crucial una buena manipulación del arco
Refuerzo
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Defecto Falta de penetración
• Esta discontinuidad resulta de una insuficiencia corriente, una excesiva velocidad de avance, un inadecuado ángulo de bisel, insuficiencia abertura del talón.
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Inclusiones de escoria • Se dividen en 2 tipos: – La escoria es un producto no metálico que resulta de la disolución del fundente y las impurezas no metálicas en algún proceso de soldadura – Inclusiones que quedan atrapadas de un material sólido ajeno a la soldadura, como puede ser escoria, fundente, tungsteno, u óxido
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Desarrollo experimental • Acero estructural ASTM A36 • Soldadura E7018 Lincoln Electric
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Preparación de las Placas (cupones) • Placa según la norma “Structural Welding Code” AWS:
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Ensayo doblado
• Se realizó 2 tipos de doblado, de cara y raíz
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Ensayo de doblado
• Este ensayo se realizó en la máquina universal de ensayos, matriz • Se le aplicó carga mediante un punzón que es empujada por la máquina universal
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Resultados Ensayo de doblado
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Resultados Ensayo de doblado Porosidad
FDF
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Desarrollo experimental Ensayo tracción • Se determinó el área representativa
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Resultados Ensayo de tracción • Este ensayo se hizo, al igual que el ensayo de doblado, en la máquina universal de ensayos
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Ensayo tracción
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Ensayo de tracción
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Test impacto • La tenacidad es la capacidad della union soldada de absorver energia, que la hace difícil de romper al impacto o choque • El entalle se fabricó al costado de la soldadura y en la mitad
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Resultados Ensayo de impacto
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FIN
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Desarrollo experimental Propiedades mecánicasLímite de ruptura • Acero A36 Límite de fluencia Alargamiento 50 mm
• E7018
Resistencia a la tracción Límite de fluencia Alargamiento 50 mm
400-500 MPa 250 MPa
40,856,1Kg/m 2 m 25.4 Kg/mm2
23%
505 MPa
51,5 Kg/mm2
437 MPa
44,5 Kg/mm2
30%
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Desarrollo experimental • Las discontinuidades que se lograron introducir intencionalmente
• Los ensayos que se realizaron
– Ultrasonidos – Porosidad – Tracción – Falta de Fusión – Doblado – Falta de penetración
– Impacto
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Desarrollo experimental Proceso: generales SMAW del procedimiento • Características
Tipo: Respaldo: Tipo de Metal bisel: base: Tipo electrodo: electrodo: Tipo corriente: Polaridad:
Manual Si En V < 45º Acero A36 E-7018 5/35 pulgadas ( 4 mm.) Continua Directa
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Desarrollo experimental Preparación de las Placas • Porosidad: Se humedeció el electrodo E-7018 y luego se procedió a soldar la placa con oscilaciones y pausas, con un amperaje de 140 Amperes. • Falta de fusión: Se realizó con 130 amperes, para lograr que no se funda todo el material de aporte, quedando espacios sin fundir en el medio y al lado de la soldadura.
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Desarrollo experimental Preparación de las Placas
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Desarrollo experimental Ensayo no destructivo
• Se aplicó Ultrasonido, para verificar las discontinuidades de cada placa • El equipo que se utilizó es un USN 50 marca Krautkrämer • El palpador angular de 60º.
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Desarrollo experimental • Cantidad de probetas a realizar (AWS) Espesor Ensayo Doblad Doblad Doblado Ensayo de la tracció o de o de de lado de placa a n raíz cara impacto 3