INSTITUTO TECNOLÓGICO DE COSTA RICA
ESCUELA DE CIENCIA E INGENIERÍA DE LOS MATERIALES LICENCIATURA EN INGENIERÍA EN MATERIALES
CM - 4300 PRÁCTICA DIRIGIDA
(UEN PYSA) CONTROL DE CALIDAD MET ICE ÁREA DE PROYECTOS DE GENERACIÓN ELÉCTRICA.
EVALUACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA (WPS) Y
REGISTRO DE CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO (PQR).
REALIZADO POR: JEAN CARLO BORBÓN BARRANTES PROFESOR(A) GUIA: ING. OSCAR CHAVERRI QUIRÓS PROFESOR LECTOR: ING. JOSE A. RAMIREZ PICADO ASESOR INDUSTRIAL: ING. LEONEL SILES LOIZA
JUNIO 2012
Escuela Acreditada por el Canadian Engineering Accreditation Board (CEAB)
ii
i. ACTA DE ENTREGA DEL INFORME FINAL DE LA PRÁCTICA DIRIGIDA
iii
ii. AGRADECIMIENTO
Quiero manifestar mi agradecimiento a los compañeros del área de control de
calidad que de una u otra forma colaboraron con la realización de mi práctica
dirigida. Muchas gracias por amabilidad y aporte al trabajo: Sr(s): Esteban
Hernández, Manuel Vázquez Fallas, Ronny Porras Castro y Mauricio Díaz Rosales.
Mi agradecimiento al Ing. Leonel Siles Loaiza, encargado del área de control de
calidad por su guía y consejos durante el desarrollo de la práctica dirigida.
Mención especial para el profesor asesor el Ing. Oscar Chaverri Quirós por su
orientación y consejos para la práctica desarrollada.
A todos Muchas Gracias
iv
iii. ÍNDICE GENERAL
i. ACTA DE ENTREGA DEL INFORME FINAL DE LA PRÁCTICA DIRIGIDA ............................ ii
ii. AGRADECIMIENTO ................................................................................................................... iii
iii. ÍNDICE GENERAL ...................................................................................................................... iv
iv. ÍNDICE DE CUADROS ............................................................................................................ v
v. ÍNDICE DE FIGURAS ................................................................................................................ vi
vi. RESUMEN ............................................................................................................................. viii
vii. ABSTRACT .............................................................................................................................. ix
I. INTRODUCCIÓN .................................................................................................................... 1
A. Identificación de la empresa o institución .............................................................. 1
B. Justificación del estudio ................................................................................................ 2
C. Objetivos del estudio ...................................................................................................... 4
D. Alcances y limitaciones del estudio ........................................................................... 5
II. MARCO TEÓRICO .............................................................................................................. 6
1. Procesos de Soldadura ......................................................................................................... 6
1.1 Soldadura de arco eléctrico sumergido (SAW) ......................................................... 6
1.2 Soldadura manual con electrodo revestido (SMAW) ............................................... 8
1.3 Soldadura con arco eléctrico con protección gaseosa (GMAW) ........................... 11
2. Especificación de procedimiento de soldadura (WPS) .................................................. 12
3. Pruebas de registro de calificación de procedimiento (PQR) ....................................... 14
3.1 Proceso de calificación ....................................................................................................... 14
3.2 Prueba de tensión ....................................................................................................... 16
3.3 Prueba de doblez guiado ........................................................................................... 18
3.4 Prueba de impacto ...................................................................................................... 20
III. METODOLOGÍA ................................................................................................................ 21
IV. RESULTADOS .................................................................................................................... 23
4.1 Etapa de preparación de especificación técnica para el proceso de calificación de
procedimiento. ................................................................................................................................ 24
4.2 Etapa de confección de planos de corte para la extracción de los especímenes. .... 25
v
4.3 Etapa de elaboración de planos de mecanizado e inspección. ................................... 27
4.4 Etapa de documentación de las variables esenciales y suplementarias. .................... 33
4.5 Etapa de Ensayos mecánicos ............................................................................................ 35
4.6 Etapa de Comparación de ensayos mecánicos para pruebas de calificación por
diferentes códigos de soldadura................................................................................................... 41
V. ANALISIS DE RESULTADOS ............................................................................................ 42
VI. CONCLUSIONES .............................................................................................................. 49
VII. RECOMENDACIONES ..................................................................................................... 51
VIII. BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................ 52
ANEXOS ............................................................................................................................................ 53
iv. ÍNDICE DE CUADROS
Cuadro No. Descripción Página
3.1.1 Espesores calificados en pruebas para calificación de procedimiento…………… 15
4.1 Resumen de las características para las especificaciones de soldadura………… 35
4.2 Resultados del ensayo de tensión para especímenes de sección reducida……….36
4.3 Resultados del ensayo de impacto Charpy………………………………………………36
4.4 Resultados del ensayo de doblez guiado………………………………………………………37
4.5 Resultados del ensayo de doblez lateral ……………………………………………………..37
4.6 Comparación de especímenes para calificación de procedimiento…..………………41
vi
v. ÍNDICE DE FIGURAS
Figura No. Descripción Página
1.1.1 Diagrama de operación de la técnica arco sumergido (SAW). ............................... 7
1.2.1 Elementos del proceso de electrodo revestido (SMAW) ........................................ 9
1.2.2 Posiciones de soldadura para placas. ................................................................ 10
1.2.3 Nomenclatura AWS A5.5 ................................................................................. 10
1.3.1 Elementos del proceso de soldadura con arco eléctrico con gas (GMAW) ............. 11
3.1.1 Ejemplo de distribución de especímenes para pruebas de registro ..................... 16
3.2.1 Especificaciones de probeta soldada de tensión ................................................. 17
3.3.1 Especificaciones de especímenes para el ensayo de Doblez de cara y raíz ........... 18
3.3.2 Especificaciones de especímenes para el ensayo de Doblez de lateral ................. 19
3.4.1 Esquema de espécimen de tamaño completo para prueba de charpy .................. 20
4.1 Especificación para elaboración de especímenes ................................................. 24
4.2 Plano de distribución de especímenes para espesor menor a 19 mm .................... 25
4.3 Plano de distribución de especímenes para espesor mayor a 19 mm ..................... 26
4.4 Plano de probeta de tensión sección reducida ..................................................... 27
4.5 Plano de probeta de doblez de raíz .................................................................... 28
4.6 Plano de probeta de doblez de cara ................................................................... 29
4.7 Plano de probeta de doblez de lateral ................................................................ 30
4.8 Plano de probeta de doblez de impacto .............................................................. 31
4.9 Probetas de doblez lateral inspeccionadas durante el mecanizado ........................ 32
4.10 Probetas de tensión para cada especificación de soldadura ................................. 32
4.11 Formato interno para especificación de procedimiento (WPS) .............................. 33
4.12 Formato interno para pruebas de registro (PQR) ............................................... 34
vii
4.13 Máquina para el ensayo de doblez guiado ......................................................... 38
4.14 Doblez de cara con líquidos penetrantes obtenida para el proceso GMAW ........... 39
4.15 Doblez de cara con líquidos penetrantes obtenida para el proceso GMAW ........... 39
4.16 Doblez de raíz con líquidos penetrantes para el proceso GMAW .......................... 40
viii
vi. RESUMEN
Borbón, Jean Carlo. Junio, 2012. Evaluación de Procedimientos de Soldadura
(WPS) y Registro de Calificación de Procedimiento (PQR). Instituto Tecnológico de
Costa Rica. Profesor Asesor: Ing. Oscar Chaverri Quirós.
El estudio fue desarrollado en Maquinaria Talleres y Equipos (MET) ubicado
geográficamente en Cebadilla de Alajuela; en el área de control de calidad metal
mecánico. El objetivo del estudio fue estandarizar los procedimientos de soldadura
y validar las propiedades mecánicas obtenidas al aplicar las especificaciones de
soldadura por medio de ensayos mecánicos de tensión sección reducida, doblez
guiado y ensayo impacto de Charpy. El método para la evaluación de las
especificaciones consistió en la documentación en el formato interno de la
institución de las variables esenciales; para las técnicas de soldadura de arco
sumergido, manual con electrodo revestido y arco eléctrico con protección
gaseosa. Posteriormente se realizó la evaluación de las propiedades mecánicas
obtenidas, por medio de la elaboración de especímenes soldados en condiciones
típicas de las soldaduras de proceso elaboradas en el taller de fabricación de
estructuras. Se elaboraron planos para el proceso de maquinado en el taller de
precisión de la institución para 17 probetas de tensión, 27 probetas de Doblez y 19
probetas para ensayo de impacto Charpy.
Los resultados fueron satisfactorios ya que se determinó en el ensayo de tensión
una resistencia mayor a 400 MPa; resistencia de tensión mínima del material base.
De forma similar en la mayoría de los casos, el ensayo de doblez evidenció un
comportamiento dúctil y con ausencia de grietas mayores a 3mm.
En el estudio se logró calificar y documentar las variables esenciales y propiedades
mecánicas para un total de 6 especificaciones de procedimiento de soldadura;
debido a que la especificación para el proceso GMAW debe efectuarse el ensayo de
doblez nuevamente.
ix
vii. ABSTRACT
The study was developed in “Maquinaria Talleres y Equipos (MET)” located
geographically in Cebadilla of Alajuela in the area of quality control metal
mechanic. The study aimed to standardize the welding procedures and validate the
mechanical properties obtained by applying the welding specifications by testing
mechanical stress reduced section, guided bend and charpy impact test. The
method for evaluation of the specifications involved documenting the internal
format of the institution of the essential variables, techniques for submerged arc
welding, manual arc electrode and gas-shielded. Then performed the evaluation of
mechanical properties obtained through the preparation of specimens welded
under typical process welds produced in the fabrication of structures. Planes were
developed for the machining process in the workshop of precision of the institution
for 17 tension specimens, 27 specimens of Bend and 19 specimens for Charpy
impact test.
The results were satisfactory since it was determined in the tensile test, a strength
greater than 400 MPa, tensile strength minimum of the base material. Similarly in
most cases, the bending test showed a ductile behavior and absence of cracks
greater than 3mm.
The study managed to qualify and document the essential variables and
mechanical properties for a total of 6 welding procedure specifications, because
the specification for the GMAW process should be re-bend test.
I. INTRODUCCIÓN
A. Identificación de la empresa o institución
La Unidad Estratégica De Negocios Proyectos Y Servicios Asociados por sus siglas
UEN PySA, es una unidad de negocios que trabaja por el desarrollo del país, en la
construcción de proyectos y servicios asociados a la industria eléctrica, bajo el
principio de desarrollo sostenible tiene como visión ser líder en el desarrollo de
proyectos de ingeniería y construcción con énfasis en la Industria Eléctrica y en la
prestación de servicios asociados. Esta unidad realiza gestiones por medio de
diferentes talleres y maquinaria los cuales se encargan de la de la construcción de
elementos y préstamos de equipos y maquinaria en diferentes proyectos de
generación eléctrica; en conjunto esto se realiza por medio de Maquinaria talleres
y Equipos (MET) ubicada geográficamente en cebadilla de Alajuela, es una unidad
operativa la cual optimiza y facilita maquinaria, equipo, vehículos, servicio de
talleres y fabricaciones especiales, requeridos por Proyectos. Esta unidad operativa
asume la misión de ser una unidad de servicio, que optimiza y facilita maquinaria,
equipo, vehículos, servicio de talleres y fabricaciones especiales, requeridos por
Proyectos, anticipándose en identificar necesidades del usuario y Aprovechando la
capacidad instalada para dar soporte a otras dependencias institucionales.
El MET cuenta con diferentes áreas encargadas de brindar apoyo a los procesos
desarrollados en los talleres. El área de Control de Calidad Metal mecánica es el
área encargada de supervisar la calidad de los procesos de soldadura utilizados en
el ensamblaje así como también verificar las dimensiones y condiciones de
acabado de los estructuras generadas por el taller de fabricación de tubos. Por lo
tanto las operaciones metal mecánicas correspondientes a los procesos de
soldadura en tuberías a presión constituyen un eje central de interés para el área
de control de calidad metal mecánica; área donde se desarrolló la practica en
cuestión.
2
B. Justificación del estudio
La problemática que se presenta en el área de control de calidad del MET, se
define como una desactualización en varios procedimientos de soldadura y la
pérdida de registros de laboratorios de ensayos mecánicos de la calificación por
pruebas de registro de calificación de procedimiento.
Los procesos de soldadura desarrollados en el taller de fabricación de tubos deben
de contar con una base escrita estandarizada, donde se describa los principales
parámetros esenciales empleados en la producción de la soldadura. La confección
y documentación de los diferentes variables corresponde al área de control de
calidad metal mecánica, por medio de procedimientos estándar de soldadura
comúnmente nombrados WPS (Welding Procedure Standard).
Consecuentemente para los procesos de soldadura se realiza una comprobación de
las propiedades mecánicas, obtenidas bajo las condiciones del procedimiento
estándar de soldadura con el fin de analizar las propiedades mecánicas obtenidas y
las propuestas en el diseño; de forma similar a la especificación de procedimiento
de soldadura, en las pruebas de registro de calificación de soldadura, nombrados
PQR (Procedure Qualification Records) se documenta las variables esenciales del
procedimiento de soldadura así como también los resultados de los ensayos
mecánicos de las pruebas de registro. La especificación y definición de las
variables esenciales para cada proceso de soldadura se realiza en base al artículo
II de la Sección IX del Código ASME 2009, para los procedimientos de soldadura y
pruebas de registro de calificación de procedimiento.
Como consecuencia a la problemática, el área control de calidad metal mecánica
del MET, cuenta con especificaciones de procedimiento de soldadura de los cuales
no se tiene referencia de sus parámetros esenciales ya que no se cuenta con los
registros de los ensayos mecánicos que validan las propiedades de la
especificación de procedimiento; lo que daría en una situacion grave en caso de
auditorías de empresas o proyectos para los que control de calidad metal mecánico
3
realice procesos de ensamblaje. Además se produce pérdidas económicas ya que
se invierte recursos en la generación de procedimientos de soldadura equivalentes
en diferentes proyectos.
Actualmente el Centro de Apoyo a Proyectos del Instituto Costarricense de
Electricidad cuenta con un formato interno general para los procedimientos de
soldadura y pruebas de registro para los procesos de soldadura de la institución el
cual tiene como fin unificar y centralizar las especificaciones de soldadura que se
generan en los diferentes proyectos. Por lo tanto se analizará los procedimientos a
desarrollar en el presente informe para las técnicas de soldadura de arco eléctrico
sumergido, soldadura manual con electrodo revestido y arco eléctrico con gas, y
consecutivamente se evaluará las propiedades mecánicas de la soldadura
efectuadas con las especificaciones de procedimiento de soldadura. Finalmente las
especificaciones calificadas podrán ser utilizadas en los proyectores en los que se
requieran.
4
C. Objetivos del estudio
Objetivo general
Evaluar las variables esenciales empleadas en las especificaciones de
procedimientos de soldadura (WPS) del Taller de Fabricación de Tubos del
MET-ICE con base a las especificaciones establecidas en la sección IX,
artículo IV del código ASME 2009.
Examinar las propiedades mecánicas obtenidas en las especificaciones de
procedimiento mediante pruebas de registro de calificación de
procedimiento de soldadura.
Objetivos Específicos
Documentar y evaluar las variables esenciales en los procedimientos de
soldadura correspondientes a las técnicas de arco eléctrico sumergido,
soldadura manual con electrodo revestido y arco eléctrico con gas.
Analizar los resultados de los ensayos de tensión, doblez guiado y ensayo
de impacto charpy de acuerdo a los criterios de aceptación establecidos
para pruebas de registro de calificación de procedimiento en la sección IX
del Código ASME.
Calificar las especificaciones de procedimiento de soldadura en los rangos
de espesores establecidos en la sección IX del Código ASME 2009.
Especificar semejanzas en el proceso de especificación de procedimientos
de soldadura y pruebas de registro de calificación de procedimiento por el
Código ASME sección IX y el Código de soldadura Estructural AWS D1.1.
2004.
5
D. Alcances y limitaciones del estudio
Con el estudio desarrollado se normalizará los procedimientos de soldadura para
las técnicas de arco eléctrico sumergido, soldadura manual con electrodo revestido
y arco eléctrico con gas. Además para cada procedimiento de soldadura se
calificará un rango de espesores para los cuales el procedimiento es efectuado
correctamente con especificación al código y se efectuará un registro de pruebas
de calificación que valide las propiedades mecánicas, obtenidas en los elementos
soldados con ese procedimiento. Por ende la organización podrá ejecutar los
procesos de soldadura en los rangos de espesores calificados por las pruebas de
registro, para los ensambles de las tuberías siguiendo las especificaciones de las
variables esenciales detalladas en el procedimiento estándar con base a los
requerimientos de la Sección IX del Código ASME 2009 específicamente.
No obstante, las pruebas de registro de calificación de procedimiento se limitan a
cubrir un rango de espesores para las especificaciones evaluadas en este informe,
por lo que para otros procedimientos fuera del rango especificado la calificación no
se designa.
Finalmente se analizará las similitudes en la especificación de procedimientos de
soldadura y pruebas de registro de calificación de procedimiento puntualizada en el
Código ASME sección IX respecto al Código AWS D1.1, ya que el área de control
de calidad del MET inspecciona ensambles y procesos de soldadura estructurales
pertenecientes a otros proyectos hidroeléctricos, por lo que al especificar el cliente
la fabricación del elemento metal mecánico por un determinado código de
soldadura. Con esto se preparará los especímenes faltantes para la calificación de
procedimiento en casos de placas con parámetros aplicables; de esta forma se
ahorrará tiempo y consumibles en la calificación de procesos de soldadura.
6
II. MARCO TEÓRICO
Los procesos de soldadura son caracterizados por tener un entorno complejo de
parámetros operativos, por lo que se a continuación se definen las principales
características de los procesos de soldadura de arco eléctrico sumergido, soldadura
manual con electrodo revestido y arco eléctrico con gas; con el objetivo de definir
elementos esenciales evaluados en las especificaciones de procedimiento de
soldadura considerados en este informe.
1. Procesos de Soldadura
1.1 Soldadura de arco eléctrico sumergido (SAW)
El proceso de soldadura por arco eléctrico sumergido tiene como principal
característica la forma en que se protege el arco eléctrico y el material de aportado
en la junta soldada, como se detalla en la Figura No. 1.1.1 el proceso se realiza
generalmente de forma automática por lo que en una operación típica de un
sistema automatizado se regula los parámetros eléctricos, la alimentación del
material de aporte y velocidad de avance del proceso de soldadura. Sin embargo
se debe destacar que la ventaja de este proceso respecto a otras técnicas, radica
en la adicción directa del fundente o “flux” que protege el material fundido
aportado del ambiente externo y alimentacion continua del material de aporte en
forma de alambre.
Este tipo de proceso es considerado de gran eficiencia ya que permite depositar
gran cantidad de material en comparación con otras técnicas. La calidad de la
junta se ve influencia por los elementos de aleación del material de aporte y por la
protección que brinda el fundente, el cual está constituido en gránulos de cal,
silicio, oxido de Magnesio, Fluoruro de Calcio y otros compuestos. En algunos
casos aporta elementos químicos como Magnesio y silicio al baño fundido por lo
que se clasifica como activo y neutros cuando no afectan la composición química.
7
De la misma manera parámetros eléctricos como intensidad de corriente del arco,
tensión del arco, velocidad de avance del arco, densidad de corriente, tipo de
corriente y polaridad influencian en menor o mayor grado en la morfología del
cordón de soldadura.
Figura No. 1.1.1 Diagrama de operación de la técnica arco sumergido (SAW). Fuente: Adaptado de Welding Metallurgy.
Lo anteriormente expuesto justifica la documentación de las variables en los
procedimientos de soldadura, ya que se puede obtener propiedades óptimas en el
diseño del ensamblaje para tuberías y estructuras. Por ende en la sección de
Anexos (Anexo 1 y Anexo 2), se brindan las variables esenciales para la
especificación de procedimientos mediante esta técnica.
8
1.2 Soldadura manual con electrodo revestido (SMAW)
Este proceso es también conocido tecnicamente como soldadura de arco eléctrico
protegido, consiste en una técnica completamente manual en la cual se utiliza un
electrodo revestido de un material que brinda estabilidad al arco metalico, y al
mismo tiempo que protege la junta soldada de la atmósfera circundante. Como se
observa en la Figura No. 1.2.1, el fenómeno con el que se forma el arco electrico
es similar al formado por los demas procesos de soldadura, se da mediante un
circuito entre la fuente electrica, el electrodo y la pieza de trabajo. Para esta
técnica en particular la descomposicion del revestimiento del electrodo durante
proceso de soldadura genera un gas que protege el baño fundido, al mismo tiempo
que aporta material y elementos quimicos que escorifican las impurezas en el baño
fundido.
Figura No. 1.2.1 Elementos del proceso de electrodo revestido (SMAW) Fuente: Adaptado de ASM Handbook Vol. 6 Welding, Brazing and Soldering.
A continuación se describe brevemente la clasificación de los revestimientos, así
como también la nomenclatura para el electrodo de acuerdo a la especificación
AWS, información correspondiente a una variable esencial solicitada en los
procedimientos de soldadura. Se Clasifican los revestimientos como:
9
Celulósicos: tienen como componente principal la celulosa, sustancia
orgánica (hidrato de carbono) que brinda una excelente protección
gaseosa como también un rápido enfriamiento. Se utiliza en soldaduras
de ductos en posición vertical descendente (Véase Figura No. 1.2.2(c)) y
soldaduras de aceros al carbono y algunos de baja aleación.
Rutílicos: el componente principal es el oxido de Titanio (TiO2) hasta en
proporciones de 50% peso.
Básicos: están compuestos de diferentes compuestos, entre los cuales
predomina la calcita (CO3Ca) y fluorita (F3Ca); poseen compuestos
desoxidantes como las ferroaleaciones de Manganeso (Fe-Mn), de Silicio
(Fe-Si) y Titanio (Fe-Ti). Se les denomina también de bajo hidrogeno por
el nivel de hidrogeno del arco. Se obtienes excelentes propiedades ya que
se reduce la presencia de hidrogeno en el material depositado con
estructura de grano fina lo que contribuye al aumento de la resistencia.
Se utiliza para aplicaciones de grandes presiones y esfuerzos, pero
requieren un mayor cuidado en la manipulación y experiencia por parte
del soldador.
Figura No. 1.2.2 Posiciones de soldadura para placas.
Fuente: Fundamentos de Manufactura Moderna
10
Como se indicó la nomenclatura del electrodo de acuerdo a la especificación AWS
A5.1 / A5.1M “Specification For Carbon Steel Electrodes for Shield Metal Arc
Welding”, constituye una importante fuente de información para detallar
elementos claves del electrodo. Con el fin de resaltar la importancia de esta
nomenclatura para la elaboración de procedimientos de soldadura y pruebas de
registro de calificación de procedimiento se muestra la Figura No. 1.2.3, en donde
se especifica el significado de cada posición. De forma similar en el Anexo 3, se
enumeran las variables esenciales utilizadas en la especificación de procedimientos
de soldadura.
Figura No. 1.2.3 Nomenclatura AWS A5.5. Fuente: Adaptado de ASM Handbook Vol. 6 Welding, Brazing and Soldering.
Se debe puntualizar que la resistencia de rotura del material de aporte (primer
dígito en la Figura No. 1.2.3) se expresa en kilo libras sobre pulgadas cuadradas
(Ksi) y el último dígito indica variables eléctricas como el tipo de corriente y
polaridad.
11
1.3 Soldadura con arco eléctrico con protección gaseosa (GMAW)
En este proceso el arco eléctrico y zona de metal fundido es protegido por medio
de un gas o mezclas de gases, se le denomina también con las siglas MIG cuando
se utiliza gases inertes “Metal Inert Gas” y MAG “Metal Active Gas”, si se emplea
un gas activo como el Dióxido de Carbono. Como se observa en la Figura No.
1.3.1, el electrodo consumible es alimentado por un carrete, y el fluido de
protección es inyectado por una boquilla o tobera a la zona de trabajo. En
semejanza con otros procesos es auto regulado: la longitud del arco y la velocidad
de deposición del alambre por lo que operador debe manipular la posición y
avance de la boquilla en la operación.
Figura No. 1.3.1 Elementos del proceso de soldadura con arco eléctrico con gas
(GMAW). Fuente: Fundamentos de Manufactura Moderna
En general para este proceso las principales variables que se especifican en los
procedimientos de soldadura son: el diámetro del alambre, parámetros eléctricos y
la proporción de gases, un cuadro detallado se muestra en el Anexo 4 y Anexo 5.
12
Los gases utilizados son Argón, Dióxido de Carbono y Helio así como mezclas o en
combinación con el Oxigeno; se clasifican metalúrgicamente como activos,
inactivos o inertes. Se selecciona el Argón por su conductividad térmica baja lo que
implica que no se expande durante el proceso, por lo que se concentra en una
columna, actúa entre el arco eléctrico y el material, no obstante se produce
penetración no uniforme de la soldadura. Por el contrario el Helio posee una alta
conductividad térmica con un arco eléctrico abierto y debido a que es el más ligero
requiere un mayor consumo. Finalmente el Dióxido de Carbono es activo y de alta
penetración, ya que reacciona con los elementos provenientes del material de
aporte y debido a efecto oxidante del gas evita las reacciones con el hierro
evitando porosidades.
2. Especificación de procedimiento de soldadura (WPS)
Se realiza a nivel industrial por las empresas que aplican procesos de soldadura en
sus operaciones productivas, por medio de esto se puede obtener un valioso
instrumento para comprobar y analizar la calidad de los procesos de soldadura
desarrollados. La especificación de procedimientos soldadura es una pauta en la
cual se proporciona las variables utilizadas en determinado proceso, con el objetivo
de asegurar la repetitividad de las condiciones operativas por parte de soldadores
calificados e inspectores de soldadura.
La especificación de procedimientos se puede realizar en base a diferentes normas
y códigos de soldadura, la selección de los estándares se realiza en relación a la
aplicación del proceso de ensambladura en la empresa. Para la práctica
desarrollada se siguen las especificaciones detalladas para procesos de soldadura
de calderas y recipientes a presión, lo que corresponde al código ASME 2009
sección IX.
13
En la sección IX del código, artículos I, II, III y IV se describe los requerimientos y
terminología para elaboración de especificaciones de procedimientos de soldadura;
entre las definiciones más importantes se tiene el concepto de variable esencial,
variable suplementaria y variable no esencial. Una variable esencial es un
parámetro que si es cambiado en la ejecución del proceso de soldadura tiene
como consecuencia un cambio substancial en las propiedades de la junta soldada.
En forma similar se define para una variable suplementaria con la diferencia que el
cambio en variables suplementarias también repercute en una propiedad específica
de la unión: la tenacidad; propiedad evaluada de acuerdo a las especificaciones de
diseño. En contraste con lo expuesto, la desviación de una variable no esencial no
incide en las propiedades.
Consecutivamente se brinda un breve resumen de las variables esenciales mínimas
que se deben de documentar en las especificaciones de procedimientos de
soldadura (WPS) y pruebas de registro de calificación de procedimiento (PQR). Así
mismo en la sección de Anexos de este informe se detalla las variables
especificadas de acuerdo al código ASME, para los procesos de soldadura
evaluados en la empresa, con el fin definir las variables para las especificaciones
de procedimiento de soldadura y pruebas de registro de calificación de
procedimiento.
a) Proceso de soldadura
b) Material Base:
c) Material de aporte y flux:
d) Tipo de corriente eléctrica y
polaridad:
e) Posición de soldadura:
f) Gas protector (si es usado en
el proceso):
g) Preparación del material base:
h) Encaje y alineamiento:
i) Precalentamiento:
j) Post tratamiento térmico:
k) Técnica de soldadura:
14
3. Pruebas de registro de calificación de procedimiento (PQR)
Tienen como propósito evaluar las propiedades mecánicas obtenidas en las
operaciones de soldaduras efectuadas, así como también calificar los rangos de
espesores en los cuales se siguen las especificaciones del código. Para
confeccionarlas se sueldan placas o tubos con espesores definidos en los
procedimientos de soldadura, para posteriormente extraer especímenes con
dimensiones reguladas por el código, como se muestra en la Figura 3.1, se extraen
probetas para pruebas de tensión, pruebas de doblez guiado y cuando sean
requeridas pruebas de impacto. En adicción a lo anterior se puede complementar
los ensayos con otras técnicas de análisis como radiografía y metalografía.
3.1 Proceso de calificación
Durante el proceso de calificación de procedimientos se debe ejecutar los
procedimientos de soldadura por soldadores calificados en habilidad para soldar, lo
certifica que el operario tiene capacidad de realizar el proceso de soldadura de
forma correcta. Por consiguiente en el proceso de calificación de procedimientos
de soldadura se evalúa y documenta los resultados obtenidos en las pruebas de
registro, de acuerdo a los criterios de aceptación del Código ASME 2009 que se
citaran brevemente en las siguientes secciones.
De esta forma para cada especificación de procedimiento de soldadura y registro
de calificación se documenta cada variable esencial y suplementaria, al mismo
tiempo que se examina que se cumpla con los requerimientos del código
especificados para cada variable detallados en el Artículo IV de la sección IX del
código ASME 2009. Como se refiere en el Cuadro No. 3.1, el rango de espesores
calificados para cada procedimiento se evalúa en relación al espesor para el metal
base utilizado para examinar el procedimiento de soldadura y elaborar los
especímenes para las pruebas de registro.
15
Cuando se cumple con las especificaciones del código, el procedimiento de
soldadura es calificado en los rangos especificados así mismo queda respaldado las
propiedades mecánicas obtenidas por el respectivo registro de calificación de
procedimiento.
Cuadro No. 3.1.1 Espesores calificados en pruebas para calificación de
procedimientos.
Espesor T de
Muestra de Prueba
Soldada (in)
Rango de Espesor T
de Metal Base
Calificado (in)
Máximo Espesor
t de Metal de
Soldadura
Calificado (in)
Tipo y Numero de Pruebas Requeridas
Min Max Tensión Doblez
Lateral
Doblez
de Raíz
Doblez
de Cara
1/16 < T 2T 2t 2 …… 2 2
1/16 a 3/8 incl. 1/16 2T 2t 2 …… 2 2
3/8 > T >3/4 3/16 2T 2t 2 …… 2 2
1½ > T > ¾ 3/16 2T 2t si t < 3/4 2 4 …… ……
1½ > T > ¾ 3/16 2T 2t si t ≥ 3/4 2 4 …… ……
1½ a 6 incl. 3/16 8 2t si t < 3/4 2 4 …… ……
1½ a 6 incl. 3/16 8 8 si t ≥ 3/4 2 4 …… ……
6> 3/16 1.33T 2t si t < 3/4 2 4 …… ……
6> 3/16 1.33T 1.33T t ≥ 3/4 2 4 …… ……
Fuente: Adaptado de 2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code
16
Figura No. 3.1.1 Ejemplo de distribución de especímenes para pruebas de registro.
Fuente: Adaptado de ASM Handbook Vol. 6 Welding, Brazing and Soldering.
Los ensayos requeridos en las pruebas de calificación de procedimiento así como
sus criterios de aceptación y características; se detallan a continuación:
3.2 Prueba de tensión
El espécimen será llevado a la ruptura por una maquina de tensión axial. Se
evalúa placas y tubos con probetas de sección reducidas y torneadas, con
espesores de hasta una pulgada y mayores de una pulgada, para los que se
recomienda seccionar en espesores iguales en función a los requerimientos de
carga del equipo de tensión. El objetivo es determinar es la resistencia ultima de la
junta soldada, para la preparación de los especímenes. Para pruebas de registro se
utilizó un acero ASTM A-36 con 400 MPa de resistencia mínima de tensión. Los
criterios de aceptación se especifican en el código ASME 2009, se indica que la
resistencia obtenida no debe ser menor a:
A la resistencia mínima del metal base; o
A la resistencia mínima de tensión especificada de los dos, en caso inferior
de los materiales, si se utilizan metales base de resistencias de tensión
diferentes; o
La mínima resistencia a la tensión especificada para el material de soldadura
cuando la sección aplicable da disposiciones para el uso de metal de
17
soldadura que tiene resistencia a temperatura ambiente inferior que el
metal base.
Si la fractura se da en la zona fuera de la soldadura, se aceptara como que
satisface los requerimientos, siempre y cuando la resistencia no sea menor
en un 5% a la resistencia del material base especificada.
Como se muestra en la Figura No. 3.2.1, el espécimen para el ensayo de tensión
se fabrica bajo las especificaciones dimensionales suministradas por el código, con
el fin de normalizar las características del espécimen en el ensayo.
Figura No. 3.2.1. Especificaciones de probeta soldada de tensión.
Fuente: 2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX.
18
3.3 Prueba de doblez guiado
Se realizan con el fin de evaluar la solidez y ductilidad de las juntas soldadas en
ranura. Para espesores menores a 19 mm se ejecuta dos pruebas de doblez de raíz
de soldadura y dos pruebas de doblez de cara; mientras que para espesores
mayores a 19 mm se efectúan cuatro pruebas de doblez lateral.
En la Figura No. 3.3.1, se especifican las dimensiones de los especímenes para
ensayos de doblez de cara y doblez de raíz. Es importante señalar que los rangos
en espesores para estos especímenes varían cuando se utilizan otros materiales,
esto se muestra en la sección inferior de la figura. De forma similar se especifican
las dimensiones para el espécimen de doblez lateral en la Figura No. 3.3.2, en el
código se recomienda en casos que se presenten especímenes de grandes
espesores se debe seccionar en espesores de 19 mm, esto consideración de las
dimensiones de las muelas del equipo de doblez disponible.
Figura No. 3.3.1 Especificaciones de especímenes para el ensayo de Doblez de cara y raíz.
Fuente: 2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX.
19
Los criterios de aceptación para este ensayo con base al Código ASME 2009,
establecen que la soldadura y la zona térmicamente afectada estarán
completamente dentro de la porción doblada del espécimen. Así mismo los
especímenes no deberán presentar discontinuidades abiertas en la soldadura o en
la zona térmicamente afectada que excedan un octavo de pulgada, medidas desde
cualquier superficie convexa del espécimen doblado. Las discontinuidades abiertas
que ocurran en las esquinas durante el ensayo no deben de ser consideradas a
menos que se tenga evidencia definitiva que es producto de falta de fusión,
inclusiones de escorias u otras discontinuidades internas.
Figura No. 3.3.2. Especificaciones de especímenes para el ensayo de Doblez de
lateral. Fuente: 2010 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX.
20
3.4 Prueba de impacto
Se realizan pruebas de impacto de Charpy cuando se especifique en otras
secciones o se solicite por cuestiones de diseño. Por ende en la sección VIII del
código se especifica los parámetros para establecer la temperatura de diseño de
elementos sometidos a presión, en base a lo establecido en esta sección se
selecciona la temperatura de evaluación para la prueba de impacto, así como
también el valor esperado promedio de impacto en función a la resistencia ultima
del material y espesor del espécimen. De forma similar en SA-370, sección II del
código ASME se muestra la Figura No. 3.4.1 donde se especifica las dimensiones y
tolerancias del espécimen, para ensayo de impacto de Charpy.
Figura No. 3.4.1 Esquema de espécimen de tamaño completo para prueba de
charpy. Fuente: 2004 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section II; SA-370
21
III. METODOLOGÍA
1. Se concertó en usar el código para Calderas y Recipientes a Presión
ASME 2009, sección IX, artículos I, II, III y IV.
1.1 Se examinó las variables documentadas en los procedimientos de
soldadura
1.2 Se identificó las variables esenciales específicas para las técnicas
de arco eléctrico sumergido y protegido, arco eléctrico con gas.
1.3 Se evaluó el formato propuesto en la sección IX del código ASME
para la documentación de los procedimientos de soldadura.
1.4 Se examinó las diferentes orientaciones en las cuales se puede
soldar un elemento y las certificaciones mediante los registros de
calificación de procedimientos.
1.5 Se identificó las pruebas mecánicas requeridas para el registro de
calificación de procedimientos: tensión, doblez guiado, soldadura
de filete y tenacidad de muesca V Charpy
1.6 Se recopiló los criterios de aceptación para las pruebas mecánicas
considerando placas y tuberías principalmente.
1.6.1 Se analizó los procedimientos y las dimensiones requeridas en las
probetas para los ensayos.
2. Se evalúo el formato interno de procedimientos de soldadura
existentes con base al formato recomendado en los apéndices del
Código ASME.
3. Se examinó el formato para los registros de calificación de
procedimiento así como la aplicación de los criterios de aceptación.
4. Se asistió en la ejecución para las técnicas de arco eléctrico
sumergido y protegido (electrodo convencional), arco eléctrico con
gas y sus registros de calificación de procedimiento.
22
4.1 Se dio seguimiento a cada variable esencial en los procedimientos
de soldadura.
4.2 Se elaboró planos detallando dimensiones y tolerancias de las
probetas para los ensayos de tensión, doblez guiado e impacto.
5. Se evalúo los rangos de espesores de calificación para cada
procedimiento de soldadura.
6. Se examinó y documentó los resultados de las pruebas de registro de
calificación de procedimiento con su respectivo procedimiento de
soldadura.
7. Se Especificó semejanzas en el proceso de especificación de
procedimientos de soldadura y pruebas de registro de calificación de
procedimiento por el Código ASME 2009 sección IX y el Código de
soldadura Estructural AWS D1.1. 2004.
23
IV. RESULTADOS
En la presente práctica posterior a la ejecución de las placas de prueba, se
desarrolló en múltiples etapas en las cuales se elaboró planos de corte como se
detallará mas adelante con ayuda del programa de diseño Autocad 2007.
Se mecanizó e inspeccionó en el taller de precisión de la institución las probetas
de ensayos mecánicos, para posteriormente evaluar los resultados de los ensayos
mecánicos y por lo tanto validar las variables esenciales y suplementarias de las
especificaciones de procedimiento de soldadura. A continuación se detalla
secuencialmente en que consistió cada etapa y los resultados obtenidos.
24
4.1 Etapa de preparación de especificación técnica para el proceso de calificación de procedimiento.
En esta etapa se detalla la cantidad de ensayos realizados en función al
espesor de la placa de prueba. Se brinda la designación del espécimen de
acuerdo al código, así como también se especifica anotaciones para la
realización de cada probeta.
Figura No. 4.1 Especificación para elaboración de especímenes.
25
4.2 Etapa de confección de planos de corte para la extracción de los
especímenes.
Se elaboró planos de corte en base a la distribución de especímenes para ensayos
mecánicos del Código ASME. Se detalló las dimensiones de las probetas de los
especímenes extra para el ensayo de tensión y la prueba de impacto. Como se
muestra en las figura No. 4.2 y No. 4.3.
26
Figura No. 4.2 Plano de distribución de especímenes para espesor menor a 19 mm.
Figura No. 4.3 Plano de distribución de especímenes para espesor mayor a 19 mm.
27
4.3 Etapa de elaboración de planos de mecanizado e inspección.
Se elaboró planos de mecanizado para los especímenes de tensión, doblez guiado
e impacto. Para el espécimen de tensión se acotó la zona de la soldadura en el
taller de precisión con el fin identificar la zona del radio de redondeo. De forma
similar se detalló para el ensayo de impacto la orientación de la entalladura y la
zona de extracción del espécimen. En forma general se inspeccionó las
dimensiones finales después del mecanizado para cada espécimen.
Figura No. 4.4 Plano de probeta de tensión sección reducida.
28
Figura No. 4.5 Plano de probeta de doblez de raíz.
29
Figura No. 4.6 Plano de probeta de doblez de cara.
30
Figura No. 4.7 Plano de probeta de doblez lateral.
31
Figura No. 4.8 Plano de probeta de impacto.
32
Figura No. 4.9 Probetas de doblez lateral inspeccionadas durante el mecanizado.
Figura No. 4.10 Probetas de tensión para cada especificación de soldadura.
33
4.4 Etapa de documentación de las variables esenciales y suplementarias.
Se documentó los parámetros operativos así como también se detalló la
especificación del material de aporte y propiedades del material base para las
placas obtenidas. Se detalló un sketch del diseño de la junta para cada
especificación.
Figura No. 4.11 Formato interno para especificación de procedimiento (WPS).
34
En el formato interno de pruebas de registro de calificación de procedimiento
(PQR) se documentó las variables esenciales y suplementarias de las
especificaciones de procedimiento de soldadura (WPS), así como también se
evalúo los resultados de los ensayos mecánicos con base a los criterios de
aceptación.
Figura No. 4.12 Formato interno para pruebas de registro (PQR).
35
4.5 Etapa de Ensayos mecánicos
En el Cuadro No. 4.1 se resume los ensayos mecánicos realizados para cada
especificación de procedimiento. En total se realizaron 7 especificaciones para las
técnicas de Soldadura manual con electrodo revestido, soldadura de arco
sumergido y soldadura con protección gaseosa. Los resultados para el ensayo de
tensión de sección reducida se muestran en el Cuadro No. 4.2. En general se
estableció como límite de resistencia a la tensión para el ensayo, la resistencia
mínima de tensión del material base (400 MPa) y un 22% para el porcentaje de
elongación.
Cuadro No. 4.1 Resumen de las características para las especificaciones de
soldadura
Especificación Proceso Material de aporte
Espesor de la placa (mm)
Ensayos mecánicos
WPS 1
SMAW E7018-HR4 16 2 Pruebas de tensión 2 Doblez cara 2 Doblez raíz
WPS 2
SMAW E7018-HR4 34 3 Pruebas de tensión 4 Doblez lateral 4 Impacto Charpy
WPS 4
SMAW E7018-HR4 12.7 2 Pruebas de tensión 2 Doblez cara 2 Doblez raíz 4 Impacto Charpy
WPS 6
SAW OK Autrod 12.20
16 3 Pruebas de tensión 2 Doblez cara 1 Doblez raíz 3 Impacto Charpy
WPS 7
SAW OK Autrod 12.20
34 3 Pruebas de tensión 4 Doblez lateral 4 Impacto Charpy
WPS 9
GMAW ER70S-6 16 3 Pruebas de tensión 2 Doblez cara 2 Doblez raíz 4 Impacto Charpy
WPS 10
GMAW ER70S-6 34 3 Pruebas de tensión 4 Doblez lateral 4 Impacto Charpy
36
Cuadro No. 4.2 Resultados del ensayo de tensión para especímenes de sección
reducida.
Identificación Ancho ( mm )
Espesor ( mm)
Área ( mm2 )
Elongación (%)
Esfuerzo Max. (MPa)
T 1 1 T 2 1
19,05 19,05
13,83 13,83
263,46 263,46
25,95 18,93
503,76 505,28
T 1 2 T 2 2 T 3 2
19,11 19,02 19,06
31,05 31,02 31,11
593,36
590,00
592,95
24,88 28,86 27,55
500,59 502,60 499,87
T 1 4 T 2 4
19,14 19,02
10,01 10,02
191,59
190,58
29,10 29,00
512,75 517,59
T 1 6 T 2 6 T 3 6
19,00 19,02 19,00
13,96 13,99 13,98
265,24
266,09
265,62
32,19 32,14 33,99
499,96 502,57 501,10
T 1 7 T 2 7 T 3 7
19,05 19,03 19,05
32,00 31,99 32,05
609,60
608,80
610,55
37,02 35,92 38,28
509,30 509,63 506,46
T 1 9 T 2 9 T 3 9
19,01 19,06 19,01
12,95 12,00 11,00
246,18
228,72
209,11
25,53 25,78 25,65
494,51 490,78 488,21
T 1 10 T 2 10 T 3 10
19,00 19,00 18,89
31,01 31,06 31,04
589,19
590,14
586,34
26,07 26,13 25,47
507,44 508,23 499,44
Fuente: Reporte de Laboratorio de Materiales, Instituto Nacional de Aprendizaje.
Seguidamente para el caso del ensayo de impacto de charpy se efectúo con el
objetivo de evaluar la tenacidad del material respecto a una temperatura
establecida. En el cuadro No 4.3 se detallan los resultados para el ensayo de
impacto.
Cuadro No. 4.3 Resultados del ensayo de impacto Charpy.
Especificación Numero de
especímenes Temperatura
de ensayo (°C) Energía absorbida de
ruptura promedio (Joules)
WPS 2 4 0 397,75
WPS 6 3 0 115,67
WPS 7 4 0 157,50
WPS 9 4 0 131,50
WPS 10 4 0 140,50 Fuente: Reporte de Laboratorio de Materiales, Instituto Nacional de Aprendizaje.
37
Consiguientemente para esta etapa, en los cuadros No. 4.3 y No. 4.4 se resumen
los resultados del ensayo de doblez de cara, raíz y lateral para las especificaciones
de procedimiento de soldadura efectuadas. Este ensayo fue realizado con equipo
de doblez desarrollado por la institución el cual se muestra en la figura No 4.13.
Cuadro No. 4.4 Resultados del ensayo de doblez guiado
Identificación Tipo de doblez Resultado
C 1 1 C 2 1 R 1 1 R 2 1
Cara Cara Raíz Raíz
Satisfactorio, comportamiento dúctil Satisfactorio, comportamiento dúctil Satisfactorio, comportamiento dúctil Satisfactorio, comportamiento dúctil
C 1 4 C 2 4 R 1 4 R 2 4
Cara Cara Raíz Raíz
Satisfactorio, presentó grieta 1mm Satisfactorio, presentó grieta < 1mm Satisfactorio, comportamiento dúctil Satisfactorio, presentó grieta < 1mm
C 1 6 C 2 6 R 1 6
Cara Cara Raíz
Satisfactorio, comportamiento dúctil Satisfactorio, comportamiento dúctil Satisfactorio, comportamiento dúctil
C 1 9 C 2 9 R 1 9 R 2 9
Cara Cara Raíz Raíz
Rechazado, grieta 10mm frontera ZAT Rechazado, grieta 9mm zona convexa Satisfactorio, presentó grieta < 1mm Satisfactorio, presentó grieta < 3mm
Cuadro No. 4.5 Resultados del ensayo de doblez lateral
Identificación Resultado
L 1 2 L 2 2 L 3 2 L 4 2
Satisfactorio, comportamiento dúctil, cuatro grietas < 3mm Satisfactorio, comportamiento dúctil
Satisfactorio, comportamiento dúctil, una grieta < 2mm Satisfactorio, comportamiento dúctil
L 1 7 L 2 7 L 3 7 L 4 7
Satisfactorio, comportamiento dúctil Satisfactorio, comportamiento dúctil, una grieta < 2mm
Satisfactorio, comportamiento dúctil Satisfactorio, comportamiento dúctil
L 1 10 L 2 10 L 3 10 L 4 10
Satisfactorio, comportamiento dúctil, dos grietas < 3 mm Satisfactorio, comportamiento dúctil, una grieta < 3mm Satisfactorio, comportamiento dúctil, una grieta < 3mm Satisfactorio, comportamiento dúctil, una grieta < 2mm
38
Figura No. 4.13 Maquina para el ensayo de doblez guiado.
Finalmente para el ensayo de doblez guiado se documentó en las figuras No 4.14,
No. 4.15 y No. 4.16 las grietas presentadas durante el ensayo de doblez de cara y
raíz para la especificación correspondiente a soldadura con protección gaseosa
(WPS 9). Se complementó el ensayo mecánico de doblez con líquidos penetrantes.
39
Figura No. 4.14 Doblez de cara con líquidos penetrantes obtenida para el proceso GMAW1
Figura No. 4.15 Doblez de cara con líquidos penetrantes para el proceso GMAW2
1 Corresponde al primer espécimen de doblez de cara, identificado como C 1 9.
2 Corresponde al segundo espécimen de doblez de cara, identificado como C 2 9.
40
Figura No. 4.16 Doblez de raíz con líquidos penetrantes para el proceso GMAW3
3 Especifica el segundo espécimen de doblez de raíz, identificado como R 2 9
41
4.6 Etapa de Comparación de ensayos mecánicos para pruebas de calificación por
diferentes códigos de soldadura.
Para concluir el proceso de calificación en esta etapa se realizó una comparación
de los ensayos mecánicos requeridos para el proceso de calificación
específicamente para placas en los cuales se presenten condiciones aplicables para
su comparación mediante el Código para calderas y recipientes a presión ASME
2009 y el Estructural AWS D1.1 2004. Como se muestra en el cuadro No. 4.6 se
compara la cantidad y tipo de ensayos especificados para el proceso de calificación
de calificación de procedimiento en relación al espesor.
Cuadro No. 4.6 Comparación de especímenes para calificación de procedimiento.
ASME 2009 SECCION IX AWS D1.1 2004
Ensayos Mecánicos (1,6mm <T): 2 Tensión sección reducida, 2 Doblez de raíz, 2 Doblez de cara Ensayos Mecánicos (1,6mm a 10mm): 2 Tensión sección reducida, 4 Doblez de lateral. Ensayos Mecánicos (19mm y mas): 2 Tensión sección reducida, 4 Doblez de lateral. General: Inspección visual, UT o RT.
Ensayos Mecánicos (3mm ≤T≤10mm): 2 Tensión sección reducida, 2 Doblez de raíz, 2 Doblez de cara Ensayos Mecánicos (10mm <T<25mm): 2 Tensión sección reducida, 4 Doblez de lateral. Ensayos Mecánicos (25mm y mas): 2 Tensión sección reducida, 4 Doblez de lateral. General: Inspección visual, UT o RT (4 máximos), 1 Tensión de metal de soldadura y macrografía.
42
V. ANALISIS DE RESULTADOS
En el proceso de evaluación de las variables esenciales y suplementarias para las
especificaciones de procedimiento de soldadura detalladas, en este informe se
utilizó los datos recolectados de las placas soldadas de prueba aportados por
inspectores del Control de Calidad. Las especificaciones de procedimiento de
soldadura y las variables esenciales, suplementarias para procedimiento
examinado, no se reportan en el presente informe ya que en conjunto son
consideradas como confidenciales debido a políticas de la institución
Durante el proceso de extracción de los especímenes para ensayos mecánicos se
elaboró planos de corte en los cuales se basaron en la distribución de especímenes
detallada en el Código ASME 2009 como se observa en las figuras No. 4.2 y No.
4.3. La identificación de los especímenes se baso en sistema de letras y números,
de esta forma la letra T identificó un espécimen de tensión, la letra L indicó doblez
lateral mientras que las letras C y R identificaban los especímenes de doblez de
cara y raíz respectivamente. De forma similar la numeración siguiente indicó el
número de especímenes y finalmente el número de especificación de
procedimiento que corresponde a ese espécimen. Lo anterior es claramente
detallado en la casilla de identificación en los cuadros No. 4.2, No. 4.4 y No 4.5.
Para la etapa de mecanizado de las especímenes se realizó planos en los cuales se
detalló las dimensiones recomendadas por el código ASME 2009, ya que en el área
de Control de Calidad Metal Mecánico no se contaba con planos que especificaran
el mecanizado de las probetas para la calificación de procedimiento. Como
complemento de la elaboración de planos se realizó una especificación técnica de
los ensayos para pruebas de calificación de procedimiento con el fin de generar
una guía general para la elaboración de las placas de pruebas y de las dimensiones
de las probetas para ensayos mecánicos. Conjuntamente se realizó un minucioso
proceso de inspección de las dimensiones de las probetas y se demarcó la zona de
43
soldadura para los ensayos de tensión, doblez guiado, e impacto. Los planos se
enumeran en las figuras No.4.4, No. 4.5, No. 4.6, No. 4.7 y No. 4.8; se especificó
el número de figura en referencia al Código ASME Sección IX en el cajetín del
plano para facilitar la consulta en el Código.
En el proceso de documentación para las especificaciones de procedimiento de
soldadura y el registro de calificación de procedimiento se asignó el numero P – 1,
para el material base y el número F que especifica el agrupamiento para electrodos
para efectuar soldaduras en acero y sus aleaciones. De forma similar se estableció
el numero A para la clasificación por análisis de metal de soldadura, de acuerdo a
los valores detallados en la Sección IV del Código ASME 2009. En último lugar se
documentó la cantidad de pases, voltaje, amperaje y velocidad del proceso de
soldadura.
Con la información anterior de la etapa de documentación se estudió de las
variables esenciales y suplementarias para las especificaciones de procedimientos
de soldadura y se determinó que se hallaron con seguimiento a las indicaciones del
Código ASME Artículo IV. En general resulta fundamental señalar que los valores
de amperaje y voltaje para las especificaciones se fijaron inicialmente con base a
las recomendaciones del fabricante y se consultó las especificaciones para
materiales de aporte pertenecientes al Código AWS, así como también se fijaron
los elementos de diseño y de proceso en relación a la experiencia de la institución
en desarrollo de procesos de soldadura.
En cuanto a la calificación de las especificaciones de procedimiento se calificó en
un rango de espesor de placa que inicia a partir de los 5 mm y se extiende en dos
veces espesor de la placa considerando condiciones de precalentamiento para
espesores desde 25.4 mm con variaciones no mayores a 50°C durante el
precalentamiento. No obstante se presenta una limitación para especificaciones
que superan los 34 mm de espesor, ya que desde ese espesor se requiere post
44
tratamiento térmico el cual es especificado como una variable esencial, por ende
para espesores mayores a 34 mm se debe calificar un nuevo procedimiento con
post tratamiento térmico en los especímenes de las pruebas para cubrir
completamente hasta un valor determinado.
Debe señalarse que durante la elaboración de los especímenes para las pruebas de
registro de calificación se realizó inspección visual y radiografía previa a la
extracción de los especímenes con el fin de verificar que no existieran defectos
producidos durante el proceso de soldadura. Así mismo se realizaron pruebas de
impacto Charpy para las especificaciones en la cuales se contó con dimensiones
necesarias para la extracción de estas muestras. Se elaboraron con el fin de
evaluar la temperatura de diseño para las especificaciones efectuadas así como
también para la equiparación en el proceso de calificación de procedimientos por el
Código AWS D1.1 2004. Los valores promedios de absorción de energía por
impacto Charpy para cada especificación de procedimiento de soldadura se
muestran en el Cuadro No. 4.3, dichos valores se consideraron dentro del rango de
aceptación especificado por el Código ASME 2009 y el fabricante (27J a 0°C).
Como se sintetiza en el Cuadro No. 4.1 en la etapa de ensayos mecánicos. Las
especificaciones de procedimiento abarcan distintos rangos de espesor de placa
que van desde los 12.7 milímetros hasta los 34 milímetros elaboradas sobre mesa
(posición 1G), para todos los procesos evaluados se utilizó como material base el
acero ASTM-A36 con elementos de composición química nominal Carbono –
Manganeso – Silicio. Cabe destacar que para este material se especifica como
variable esencial el rango de espesor calificado, así si se realiza un cambio en el
espesor más allá del rango calificado durante el proceso, así como también un
cambio en el número P especificado para el par de materiales definidos por el
código implica una nueva calificación de procedimiento. Además el criterio general
bajo el cual se determina la aceptación y rechazo para los especímenes de tensión
en general se seleccionó que la resistencia a la tensión de la unión soldada no
45
deberá ser inferior a la resistencia mínima de tensión del material base (400 MPa),
esto de acuerdo a las disposiciones del Código y en consideración de que se
realiza la unión por una técnica de soldadura de dos materiales idénticos. A
continuación se realiza el análisis para cada proceso de soldadura en específico.
Para el proceso manual con electrodo convencional (SMAW) se elaboró tres
especificaciones de procedimiento con material de aporte el E7018-HR4, el cual se
utiliza para procesos en los se requiere alta penetración en la junta y resistencia
mecánica de 485 MPa, caracterizado por ser bajo en Hidrogeno este material
forma una unión con una composición afín al material base. Como se muestra en
el Cuadro No. 4.1, las especificaciones identificadas como WPS 1, WPS 2 y WPS 4,
constituyen las especificaciones para el proceso de soldadura manual con electrodo
revestido. Se realizaron siete especímenes de tensión sección reducida como se
observa en el Cuadro No. 4.2, los valores para el esfuerzo máximo de tensión
experimental para estas especificaciones, son mayores a 400 MPa esfuerzo mínimo
de tensión del material base así como también es mayor a 485 MPa esfuerzo
mínimo de tensión del material de aporte; por ende este ensayo se considera
aceptado de acuerdo a los criterios de aceptación del Código.
En la valoración de los ensayos de doblez guiado para estas especificaciones se
obtuvieron resultados satisfactorios con un comportamiento dúctil, de acuerdo a
los criterios de aceptación para doblez. En adicción a la inspección visual de los
especímenes el ensayo se complementó con líquidos penetrantes para examinar
con mayor detalle y evaluar cualitativamente la profundidad de las grietas
producidas, los resultados se muestran en los Cuadros No. 4.4 y No. 4.5. Las
grietas menores a 3mm se produjeron principalmente en la zona térmicamente
afectada (ZAT). El factor principal que influyó en la formación de grietas en estos
especímenes se debe la velocidad de la matriz dobladora al efectuar el ensayo, ya
que la zona de soldadura constituye una zona de gran resistencia mecánica al
46
deformarse bruscamente no se permite al material reaccionar adecuadamente a la
rápida deformación inducida.
Para las especificaciones de procedimiento de soldadura para la técnica de arco
sumergido identificadas como WPS 6 y WPS 7; como se muestra en el Cuadro No.
4.1 se utilizó como material de aporte el OK Autrod 12.20 con esfuerzo de tensión
de 480 – 660 MPa, con un fundente neutro que no aporta elementos aleantes, se
determinó por medio del ensayo de tensión el cumplimiento con lo especificado en
el Código ASME 2009. Como se observa en el Cuadro No. 4.2, el esfuerzo obtenido
es superior al esfuerzo mínimo del material base especificado como límite para
este ensayo, y se encuentra dentro del rango recomendado para el material de
aporte por lo que valida la resistencia mecánica de las especificaciones efectuadas
con estos procedimientos. En cuanto a los ensayos de doblez para estos
procedimientos se puede observar en la sección de resultados del presente informe
en los cuadros No. 4.4 y No. 4.5, la obtención de resultados aceptables lo que
implica un comportamiento dúctil y con ausencia de grietas mayores a 3 mm, en el
ensayo de doblez lo que resulta en concordancia para un proceso semiautomático
en el cual los parámetros de las variables esenciales son controlados
automáticamente como el avance, regulación de amperaje - voltaje y velocidad de
alimentación.
Las últimas especificaciones examinadas corresponden a la técnica de soldadura
con protección gaseosa (GMAW), con identificación WPS 9 y WPS 10. Este proceso
se elaboró con material de aporte ER70S-6 el cual cuenta con una resistencia
mínima de tensión de 480 MPa y se realiza con Dióxido de Carbono que actúa
como gas activo en la protección de la unión. Como se enumera en el Cuadro No.
4.2 el valor de resistencia mínima a la tensión del material base y la resistencia
mínima de tensión del material de aporte son menores al esfuerzo máximo
determinado por el ensayo de tensión, por lo tanto se cumplen los criterios de
aceptación establecidos para este ensayo en el código ASME 2009.
47
Por otra parte el ensayo de doblez guiado para las especificaciones del proceso de
soldadura con protección gaseosa presentaron la formación de grietas al efectuar
el ensayo, como se enfatiza en las figuras No. 4.14 y No. 4.15, corresponden a las
muestras de doblez de cara para la especificación WPS 9. Para el caso de la
primera la grieta se presentó en la zona térmicamente afectada, por lo que de
acuerdo a disposiciones del Código y en base a longitud de la grieta en la cara de
la soldadura, este ensayo se considera rechazado por lo que debe procederse a la
preparación de una placa para la extracción de nuevos especímenes de doblez de
cara sin efectuar nuevamente los ensayos de tensión e impacto. Conviene
proceder de forma similar para el segundo espécimen de doblez de cara con el fin
de asegurar la ductilidad de la unión y con base en la longitud de la grieta. Para
estas situaciones en el Código ASME 2009 especifica que la zona convexa en la
que se presentó la falla, debe existir evidencia precisa de la presencia de
inclusiones de escoria o falta fusión, sin embargo para todos las placas se efectúo
radiografía para las cuales no se detecto ninguna de las discontinuidades
mencionadas y en el análisis de las variables esenciales se determinó que los
valores de amperaje y voltaje se encontraron en los rangos establecidos por el
Código AWS para este material de aporte. Por lo tanto debe considerarse como
factor de incidencia que la zona convexa en la que se desarrolló las grietas durante
la ejecución del ensayo está sometida a esfuerzos de tensión y constituye un área
crítica de concentración de esfuerzos resultantes de proceso de soldadura.
En contraste con lo mencionado previamente el ensayo de doblez de raíz para la
especificación WPS 9; detallado en la figura No. 4.16 y el ensayo de doblez lateral
para el procedimiento WPS 10 para el cual se citan sus resultados en el cuadro No.
4.5, se encontraron dentro de las disposiciones de los criterios de aceptación con
presencia de grietas menores a 3 mm en la zona de la soldadura en ambos casos.
48
Finalmente del análisis de los especímenes para calificación de procedimientos por
los AWS D1.1 2004 y ASME 2009 se pudo concluir que se presenta gran similitud
en las dimensiones y cantidad de espécimen para el proceso de calificación de
procedimientos específicamente para placas. Como se muestra en el Cuadro No.
4.6. No obstante las principales diferencias entre ambos Códigos se derivan de una
prueba de tensión para metal de aporte y pruebas de macrografía.
49
VI. CONCLUSIONES
1. Se consiguió optimizar la fabricación de especímenes para ensayos
mecánicos mediante la elaboración de plano de corte y mecanizado.
2. Se logró que la documentación de las variables esenciales y suplementarias
en el formato interno de la institución; para las técnicas de arco eléctrico
sumergido, soldadura manual con electrodo revestido y arco eléctrico con
gas cumpla con las premisas del Código ASME 2009.
3. Se obtuvo en el ensayo de tensión un valor de resistencia a la tensión
promedio de 500 MPa, el cual es superior 400 MPa de resistencia mínima a
la tensión para el material base; por lo tanto se considera aceptada la
resistencia mecánica, en base a los criterios de aceptación del Código.
4. Se determinó mediante el ensayo de doblez guiado grietas menores a 3mm
para los procedimientos de soldadura evaluados, por ende se considera
aceptado este ensayo, con excepción de la especificación de procedimiento
WPS 9.
5. Se elaboró especímenes de impacto para la evaluación de las condiciones
de diseño de temperatura.
6. Durante la evaluación de la resilencia por el ensayo de impacto se consiguió
a 0 °C un valor de resilencia superior a 27 J detallado por el fabricante para
este ensayo.
7. Se calificó por medio de ensayos mecánicos, las especificaciones de
procedimiento de soldadura para las técnicas de arco eléctrico sumergido,
soldadura manual con electrodo revestido y arco eléctrico con gas en
rangos de espesor de placa que va desde los 5mm hasta los 34 mm.
50
8. Se comparó que la calificación de procedimientos de soldadura por el
Código ASME 2009 y el Código Estructural AWS D1.1 2004 presenta la
similitud en las dimensiones de los especímenes de ensayos mecánicos para
placas; sin embargo en el Código Estructural AWS D1.1 2004 cuenta con
una prueba extra de material de tensión de material de aporte.
51
VII. RECOMENDACIONES
Se recomienda dar seguimiento in situ del complimiento de las variables
esenciales y suplementarias para las especificaciones de procedimiento.
Se recomienda incorporar al formato interno para especificaciones de
procedimiento de soldadura la curva de post tratamiento térmico.
Resulta necesario la divulgación de la información de las especificaciones
de procedimientos de soldadura para personal encargado de gestionar el
proceso de construcción de elementos metal mecánico.
52
VIII. BIBLIOGRAFÍA
1. American Petroleum Institute. (2004). Welding Inspection and Metallurgy.
Washington: IHS.
2. ASM International. (1993). WELDING, BRAZING, AND SOLDERING (Vol. VI). ASM INTERNATIONAL.
3. Groover, M. P. (1997). Fundamentos de Manufactura Moderna. México:
Prentice Hall Hispanoamérica S.A.
4. Rollino, I. R. (2005). Introducción a la Soldadura y Calificaciones Requeridas por ASME IX. Introducción a la Soldadura y Calificaciones Requeridas por
ASME IX, (págs. 30-41). San José.
5. Schmid, S. R. (2002). Manufactura, Ingeniería y Tecnología. México: Pearson Educación.
6. The American Society Of Mechanical Engineers. (1998). 1998 ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE IX; Qualification Standard for Wleding and Brazing Procedures, Welders, Brazers and Welding and Brazing Operators; Version: Español. New York: The American Society Of Mechanical Engineers.
7. The American Society Of Mechanical Engineers. (2001). 2001 ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE II; Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products; SA-370. New York: The American
Society Of Mechanical Engineers.
8. The American Society Of Mechanical Engineers. (2004). 2004 ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE IX; Qualification Standard for Wleding and Brazing Procedures, Welders, Brazers and Welding and Brazing Operators.
New York: The American Society Of Mechanical Engineers.
9. The American Society Of Mechanical Engineers. (2004). 2004 ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE VIII Division I; Rules for Construction of
Pressure Vessels. New York: The American Society Of Mechanical Engineers.
10. The American Society Of Mechanical Engineers. (2009). 2009 ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE IX; Qualification Standard for Wleding and Brazing Procedures, Welders, Brazers and Welding and Brazing Operators. New York: The American Society Of Mechanical Engineers.
11. The American Society Of Mechanical Engineers. (2010). 2010 ASME BOILER AND PRESSURE VESSEL CODE IX; Qualification Standard for Wleding and Brazing Procedures, Welders, Brazers and Welding and Brazing Operators, New York: The American Society Of Mechanical Engineers.
53
ANEXOS
ANEXO 1: Variables para el proceso de soldadura de arco eléctrico sumergido
(SAW). Especificación de procedimiento
Fuente: 2004 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX
54
ANEXO 2: Variables para el proceso de soldadura de arco eléctrico sumergido
(SAW). Especificación de procedimiento (Continuación)
Fuente: 2004 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX
55
ANEXO 3: Variables para el proceso de soldadura manual con electrodo revestido
(SMAW). Especificación de procedimiento
Fuente: 2004 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX
56
ANEXO 4: Variables para el proceso de soldadura de arco eléctrico con gas
(GMAW). Especificación de procedimiento
Fuente: 2004 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX
57
ANEXO 5: Variables para el proceso de soldadura de arco eléctrico con gas
(GMAW). Especificación de procedimiento. (Continuación)
Fuente: 2004 ASME Boiler and Pressure Vessel Code, Section IX
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