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• Pablo Fernandez Alonso

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33. ENSAYOS DESTRUCTIVOS APLICABLES A LAS UNIONES SOLDADAS. PROPIEDADES MECÁNICAS. TIPOS DE ENSAYO Y APLICACIÓN EN FUNCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS QUE SE PRETENDEN VALORAR, CON ATENCIÓN A LAS NORMAS, CÓDIGOS DE DISEÑO Y ESPECIFICACIONES. DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS Y DE LOS EQUIPOS. EXTRACCIÓN DE MUESTRAS. El desarrollo del tema elegido para desarrollar seguirá el siguiente índice: 1. Introducción. 2. Ensayos destructivos aplicables a las uniones soldadas. 2.1. fundamento 2.2. propiedades mecánicas. 3. Tipos de ensayo y aplicación en función de las características que se pretenden valorar. 4. Extracción de muestras 5. Descripción de los ensayos y de los equipos con atención a las normas, códigos de diseño y especificaciones. 5.1.1. Tracción, 5.1.2. Resiliencia 5.1.3. Plegado 5.1.4. Dureza INTRODUCCIÓN La soldadura es un proceso donde los parámetros que se deben controlar para asegurar la calidad de la soldadura, no se pueden inspeccionar fácilmente y pueden ponerse de manifiesto sólo durante la utilización del producto. Es difícil y caro verificar las propiedades del material a soldar, del metal de la soldadura y de la zona afectada térmicamente, por lo que la norma ISO 9000 clasifica o determina que la soldadura es un proceso especial. Al considerar la soldadura como un proceso especial, es necesario antes de su puesta en servicio verificar la respuesta de los materiales y las uniones soldadas de antemano con el fin de determinar su grado de aceptación, siendo en este punto del proceso donde entran los ensayos destructivos, los cuales servirán para determinar las propiedades del material que tienen que ver con su comportamiento resistente. Antes de profundizar en el desarrollo del tema debemos abordar que es un ensayo destructivo de ahí el primer apartado del tema, ENSAYOS DESTRUCTIVOS APLICABLES A LAS UNIONES SOLDADAS, FUNDAMENTO Y PROPIEDADES MEACANICAS. Cuando los ingenieros diseñan equipos y estructuras, especifican las propiedades físicas que deben tener los materiales de construcción, de ahí que los ED se utilizan para verificar que los materiales cumplan estas especificaciones, determinadas por las normas y los organismos reguladores. A diferencia de los Ensayos No Destructivos que se pueden aplicar durante la puesta en servicio sin ocasionar daños para los elementos, los Ensayos Destructivos (en adelante ED) o también llamados Ensayos Mecánicos, tienen la particularidad de que una vez realizados las piezas quedan inservibles, debiéndose realizar sobre una muestra del mismo. Al hablar de materiales de base o de aportación es frecuente utilizar términos como resistencia, dureza, resiliencia, ductilidad, alargamiento, etc., siendo estas PROPIEDADES MECÁNICAS las que tratan de valorar la capacidad para soportar distintos tipos de cargas sin que se produzca la rotura o el agotamiento resistente del material. Es en estas propiedades donde encontramos el fundamento de estos ensayos, siendo las de mayor interés para el desarrollo de los apartados sucesivos las siguientes:

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Resistencia a tracción: También llamada carga de rotura, Se determina tomando una barra del material a ensayar y tirando de sus extremos hasta provocar la rotura. Suele expresarse en Kg/mm2 o unidades similares. Resiliencia: Mide la capacidad del material para soportar cargas de impacto o choque, sin sufrir una deformación permanente o plástica. Esta propiedad no mide la fuerza, sino la energía del impacto necesario para romper una pieza de unas dimensiones determinadas. Los materiales frágiles tienen una resiliencia reducida, se rompen con golpes de pequeña energía. La cualidad opuesta a la fragilidad es la tenacidad. Un material tenaz tiene una resiliencia elevada. Dureza: La dureza mide la resistencia que un material ofrece cuando se intenta ser deformado plásticamente, por lo que cuanto más duro es el material, más cuesta deformarlo plásticamente. La dificultad para deformar plásticamente al material se mide en función de la fuerza aplicada. Ductilidad: Capacidad de un material para experimentar grandes deformaciones en frío antes de romperse. Los materiales dúctiles pueden estirarse en forma de hilos y alambres de pequeño diámetro. Resulta muy difícil reunir todas las cualidades mecánicas en un mismo material.

Como norma general, los materiales que son muy duros suelen tener también una resistencia elevada, pero como contrapartida, son frágiles (la resiliencia es baja), y su ductilidad es reducida (se rompen al intentar deformarlos). Por el contrario, los materiales tenaces suelen tener una buena ductilidad, pero su resistencia y su dureza son bajas. Definido el concepto de ED, sus fundamentos y las principales propiedades mecánicas que afectan a las condiciones de servicio de los materiales el siguiente apartado del tema se corresponde con TIPOS DE ENSAYO Y APLICACIÓN EN FUNCIÓN DE LAS CARACTERÍSTICAS QUE SE PRETENDEN VALORAR, Con este tipo de ensayos se intenta simular las condiciones de trabajo para determinar la idoneidad del material o pieza en cuestión. Debido a la diversidad de propiedades y a las diferentes formas de determinarlas, los ensayos se pueden clasificar en:   

Estáticos: tienen la carga estática o progresiva, en los que la velocidad de aplicación de la fuerza no influye en el resultado. Dinámicos: su carga no es ni estática ni progresiva, la velocidad de aplicación de las fuerzas forma un papel importante en el ensayo. Tecnológicos: se utilizan para comprobar si un material es útil o no para una aplicación en concreto, cuando por medio de los ensayos científicos no es posible realizar estas comprobaciones o resultan demasiado caras.

Atendiendo a esta clasificación y como se muestra en siguiente imagen los ensayo empleados generalmente para determinar las condiciones optimas de servicio de los materiales son los que se muestran en la siguiente imagen

La aplicación de estos ensayos en el contexto de la fabricación industrial, principalmente de metales aunque pueden estudiarse otros materiales, está destinada a:     

Determinar las propiedades de los materiales y fijar sus posibilidades de uso. Efectuar controles de calidad en la fabricación de piezas. Determinar tratamientos, composiciones o tipos de materiales idóneos para un determinado uso. Establecer las causas del fracaso en servicio y determinar si el material puede ser reemplazado. Experimentar en la creación de nuevos materiales y sistemas de fabricación.

Dentro de la fabricación industrial el campo que nos ocupa, la soldadura y la calderería, estos ensayos están especialmente indicados para las siguientes aplicaciones:  

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Ensayos del material base: Suelen realizarse ensayos de tracción y de resiliencia, para comprobar si las características del material cumplen con los requisitos mínimos que se exigen a la calidad de que se trate. Normalmente realizarlos el propio fabricante. Ensayos sobre metales de aporte: los fenómenos que pueden producirse durante la fusión no son idénticos el material de un electrodo y el que resulta de fundir dicho electrodo (metal depositado). Por consiguiente, estos ensayos se realizan sobre probetas “todo soldadura” obtenidas del metal depositado. Para comprobar la validez de un procedimiento de soldeo: Para prevenir posibles problemas de soldabilidad y afrontar la fabricación con ciertas garantías, se realizan pruebas de soldadura sobre muestras del material, hasta conseguir un procedimiento de soldeo adecuado. En las pruebas para cualificación de soldadores: Un ensayo que suele utilizarse para examinar soldadores es el de plegado. En uniones en ángulo, en las que resulta difícil la radiografía, se sustituye a veces por un ensayo de fractura, donde no se trata de medir la fuerza que produce la rotura, sino de examinar las superficies que resultan de la misma. Puede evaluarse la calidad de la penetración, la fusión, calidad de los empalmes, etc. Ensayo de testigos de producción: disponiéndose apéndices en prolongación de la junta, se sueldan en el mismo momento y en las mismas condiciones, se someten a los ensayos pertinentes. Los resultados, aunque no definitivos, dan una idea sobre la calidad de la junta. Como muestreo en la fabricación en serie: En fabricaciones de grandes series puede tomarse alguna muestra, al azar, y someterla a todo tipo de ensayos destructivos. Los resultados obtenidos pueden orientar sobre la calidad de la serie.

Abordadas las principales aplicaciones de los ED tanto a nivel general como las aplicaciones relacionadas con la soldadura el siguiente apartado a tratar y común a los diferentes tipos de ensayos está enfocado a la EXTRACCION DE LAS MUETRAS Y SU PREPARACION PARA EL ENSAYO, pese a utilizar de forma cotidiana el término “muestra” el vocablo correcto para referirnos a la pieza ensayar sería “probeta”. Normalmente el material que llega al laboratorio tiene un tamaño excesivamente grande para poder manipularlo y obtener la información necesaria. Por esta causa se debe elegir una zona del material, de la que se van a extraer las probetas para ser sometida a los posteriores tratamientos de preparación. En la siguiente imagen se puede ver las zonas elegidas para la extracción de las muestras en función del ensayo empleado.

La extracción de las muestras comienza con un corte preliminar para reducir el tamaño de la muestra, evitando en la medida de lo posible una acción mecánica violenta, que pudiera ocasionar una distorsión mecánica del material, por lo que se emplearán cortadoras de disco o sierras de cinta, en el caso de no haberse respetado este criterio (corte térmico) las probetas han de extraerse de una zona lo suficientemente alejada del área cortada. Precortadas las muestras el siguiente paso es la adecuación de la misma al tipo de ensayo que se le vaya a aplicar, pudiendo presentarse muestras con sección cilíndrica o prismática, por lo que cada tipo requiere procedimientos desbaste diferentes, bien sea por arranque de viruta o por abrasivos, las muestras cilíndricas, empleadas en los ensayos de tracción o de torsión, requieren un proceso de mecanizado por torno, en cambio las muestras prismáticas, empleadas para los ensayos de tracción, dureza, resiliencia, etc. requieren un proceso diferente, bien sea el mecanizado en fresadora o corte mediante procedimientos especiales, entre los que cabe destacar la importancia del corte automático con abrasivos en húmedo a fin de conseguir una superficie lo más precisa posible.

Tanto en el caso de las muestras cilíndricas como prismáticas este mecanizado debe realizarse con una sobremedida para el último paso antes de realizar el ensayo, el pulido, aconsejable para todos los ensayos y exigido para una prueba macrográfica, En este paso se pretende eliminar las deformaciones y las últimas rayas producidas en la última operación de desbaste. Una vez extraída y preparada la muestra el siguiente paso se corresponde con la aplicación de los ED, consecuentemente dando lugar al siguiente apartado del tema DESCRIPCIÓN DE LOS ENSAYOS Y DE LOS EQUIPOS CON ATENCIÓN A LAS NORMAS, CÓDIGOS DE DISEÑO Y ESPECIFICACIONES, Los ensayos de tracción, dureza y doblado son los que, con mayor frecuencia se emplean para determinar la resistencia a la rotura y la ductilidad de un material. Por el soldeo se modifica la estructura metalúrgica, siendo importante conocer el efecto de estos cambios sobre las propiedades mecánicas. Por ello, estos ensayos pueden indicarnos las características más importantes de una unión soldada, empleándose también para cualificar los procedimientos de soldeo y los soldadores según es requerido por la mayoría de los códigos. ENSAYO DE TRACCIÓN La norma UNE-EN ISO 6892-1:2017 Materiales metálicos. Ensayo de tracción. Parte 1: Método de ensayo a temperatura ambiente, establece los parámetros generales para la realización de este ensayo, destinado a determinar la resistencia mecánica, el límite de elasticidad, el alargamiento y la rotura, de una probeta, a la que se le ha aplicado una fuerza estática de tracción monoaxial en sentido longitudinal, que no cesa en solicitación hasta su rotura. Las probetas de ensayo pueden ser de sección circular (probetas cilíndricas) o rectangular (probetas prismáticas) y sus dimensiones principales deben acomodarse a lo que establecen las normas o especificaciones del ensayo utilizadas. En todo caso, las probetas tienen las partes que se muestran en la siguiente figura. El ensayo se lleva a cabo en la denominada máquina universal (la cual permite realizar más de un tipo de ensayo), La fuerza de tracción producida por la máquina se genera con dispositivos mecánicos o hidráulicos y se aplica en el eje de la probeta, mediante mecanismos de autoalineación que aseguran la ausencia de momentos flectores durante el ensayo, de forma que la probeta, en la zona entre referencias, está sometida a un estado de tracción uniaxial, es decir, a una solicitación bien definida y fácilmente reproducible. Desde el comienzo del ensayo hasta la rotura de la probeta se va describiendo la llamada curva de deformación, la cual podemos ver en la siguiente figura, y de la cual se extraen los siguientes valores: Zona elástica: donde una vez cesa la fuerza la probeta recupera su forma del material hasta un esfuerzo denominado límite elástico (LE), en el que las deformaciones comienzan a ser permanentes. En buena parte de la curva se mantiene la proporcional y a la pendiente de la curva se le llama módulo elástico o módulo de Young, y la recta responde a una ecuación llamada Ley de Hooke: E=T/e Zona de fluencia: en la cual el material cede sin aumentar el esfuerzo, que recibe el nombre de esfuerzo de fluencia (LF). Es el inicio de las deformaciones plásticas, donde la deformación una vez cesa la fuerza es permanente Zona de estricción: la probeta sufre un estrechamiento en su sección central a la vez que aumenta su longitud hasta el límite de rotura.

Tomando como referencia esta norma si llevamos este ensayo al campo de la soldadura los ensayos de tracción pueden ser aplicados a diferentes zonas de la unión soldada, así tenemos: Ensayo del metal de aportación en uniones a tope: Las probetas, en este ensayo, se obtienen generalmente paralelas al eje de la soldadura y se mecanizan de tal forma que el total de la probeta procede del material aportado durante el soldeo. Ensayo de soldadura a tope en posición transversal: En ellas interviene tanto el metal de aportación, como la zona afectada térmicamente y el metal base. Estos ensayos ofrecen resultados bajos de alargamiento sobre el total de la probeta por lo que tampoco se obtiene un valor comparable y fiable del límite elástico, solamente válido para conocer la resistencia a la tracción de la soldadura y valorar su “rendimiento” en términos de resistencia únicamente. Ensayos de soldadura a tope en sentido longitudinal. La carga se aplica paralelamente al eje de la soldadura y, en este caso, la probeta también está compuesta por metal base, zona afectada térmicamente y metal de aportación. El ideal sería que estas tres zonas se deformasen uniforme y simultáneamente, pero la heterogeneidad presente en toda la unión soldada hace que este ideal sea alcanzado sólo en contadas ocasiones Unión soldada a solape: En este tipo de uniones, lo que se pretende conocer es la resistencia de la soldadura al cizallamiento o cortadura de una determinada unión. Por ello, las probetas suelen prepararse de tal forma que sean representativas de la unión a ensayar, siguiendo procedimiento similares a los que vayan a ser aplicados durante su fabricación ENSAYO DE DOBLADO Regulado por la norma UNE-EN ISO 5173:2011 “Ensayos destructivos en soldaduras metálicas. Ensayo de doblado”, es utilizado como complemento al ensayo de tracción puesto que este solo nos permite conocer la ductilidad general de un material pero no determinar la existencia de secciones fragilizadas en la probeta. Los resultados del ensayo de doblado suelen expresarse de diferentes formas: % de alargamiento de las fibras exteriores más estiradas, radio de plegado mínimo antes de que se produzca el fallo El ensayo se realiza colocando la probeta, longitudinal (apropiada para materiales distintos) o transversales (cualificación de los soldadores) al eje de la soldadura, sobre dos apoyos cilíndricos que las permitan libertad de movimientos, doblado libre, o que limiten la deformación en si este es dirigido o guiado, con la parte a someter a tracción en contacto con dichos apoyos. Por la parte superior de la probeta y en el centro de los apoyos se presionará con un mandril cilíndrico, cuya longitud deberá ser mayor que el ancho de la probeta. Uno de los parámetros más importante del ensayo es el diámetro del mandril, que define la curvatura y por tanto la solicitación a la que se somete la parte traccionada de la probeta. A mayor radio de mandril, menor curvatura y por tanto menor esfuerzo.

En función de las superficies expuestas al máximo alargamiento, este ensayo en soldadura recibe el nombre de doblado de cara, de raíz y lateral. Los ensayos con probetas transversales son normalmente empleados para calificar operarios, debido a que, de esta forma, se suelen ENSAYO DE DUREZA Aunque incluido en este tema por medir una propiedad mecánica, no es realmente un ensayo destructivo. Consiste en medir la dureza de los materiales, es decir, la oposición que presentan a ser rayados o penetrados por otros. Las características de dureza de una soldadura pueden utilizarse independientemente o bien como complemento de los ensayos de tracción y plegado. Los resultados de los ensayos de dureza nos facilitan información sobre las modificaciones metalúrgicas debidas al fenómeno del soldeo. Los ensayos de dureza suelen efectuarse sobre superficies esmeriladas o pulidas y, a veces, atacadas químicamente para mejor definición de las distintas zonas de la soldadura. Pueden llevarse a cabo sobre la superficie de la soldadura, longitudinal y transversal a la misma, o sobre secciones de la misma