CARACTERIZACIÓN POR EMISIÓN ACÚSTICA DEL PROCESO DE SOLDADURA MANUAL POR ARCO ELÉCTRICO (SMAW)

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1 CARACTERIZACIÓN POR EMISIÓN ACÚSTICA DEL PROCESO DE SOLDADURA MANUAL POR ARCO ELÉCTRICO (SMAW) Hipólito Carvajal Fals. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad de Oriente. Santiago de Cuba. CUBA Angel Sánchez Roca. Facultad de Ingeniería Mecánica. Universidad de Oriente. Santiago de Cuba. CUBA Resumen. En este trabajo se realizó una caracterización del proceso de soldadura manual por arco eléctrico usando la técnica de análisis de emisión acústica. Fue empleado un electrodo del tipo AWS E613 con diámetro 3 mm y un rectificador de corriente BAY 54. Se estudiaron tres condiciones de soldadura en las cuales fue variado el voltaje del arco y la corriente de soldadura. La velocidad de soldadura fue mantenida constante durante la realización de los cordones, los cuales fueron depositados en probetas de acero AISI 12 con espesor de 4 mm. La señal de emisión acústica fue adquirida usando una cadena de medición compuesta por un micrófono del tipo MV-21 con sensibilidad de 1 ± 3 mv/pa, un acondicionador capaz de manejar señales en un rango de frecuencias de 2 Hz a 1 KHz y un rango total de 24 db a 17 db. Como elemento final de la cadena se empleó una tarjeta A/D acoplada a un PC, usando software diseñado en LabVIEW capaz de analizar y procesar los datos de la señal. Fue caracterizado en amplitud y frecuencia el ruido producido por la fuente de soldadura. Las amplitudes de las señales en el tiempo, así como los histogramas, espectros de frecuencias, valor RMS de la señal (Root Mean Square), la desviación estándar y la varianza fueron determinados para cada condición de soldadura. En el trabajo se exponen los rangos de frecuencia que caracterizan este proceso para las condiciones usadas. Se constató en el experimento que con el aumento de la corriente de soldadura y el voltaje del arco ocurrió un incremento de la energía de la señal caracterizada por un aumento del valor RMS, así como también se observó un aumento en la dispersión de los datos adquiridos con el incremento de los parámetros del proceso. Palabras claves: proceso de soldadura SMAW, emisión acústica, espectro de frecuencia, análisis estadístico 1. INTRODUCCION El monitoreo de los procesos de manufactura constituye un tema de constante desarrollo por parte de la comunidad científica internacional. Dentro de estos, los procesos de soldadura por su gran aplicación y responsabilidad en la fabricación de productos industriales, constituyen también un foco de atención. Una estrategia de desarrollo de los procesos de soldadura constituye la aplicación de técnicas de monitoreo que permitan la detección y la solución de problemas en tiempo real. Al consultarse la literatura especializada, varias técnicas de monitoreo son conocidas, desde los instrumentos de medición convencionales hasta sistemas on-line soportados por PC, los cuales colectan y reportan el estado, tendencia y las estadísticas del proceso. Los datos obtenidos pueden ser usados para optimizar parámetros y también en programas para la aplicación de métodos de diagnóstico predictivo.

2 Para caracterizar y garantizar una adecuada calidad del proceso de soldadura se emplean las mediciones de parámetros como: la velocidad de alimentación del alambre, la velocidad del proceso, el flujo de gas, la corriente y el voltaje del arco, tratando de mantener los valores dentro de determinados limites de variación. Son el voltaje y la corriente del arco los mas comúnmente usados (Ponomarev, 1997), ya que procesando estos se pueden obtener índices que describen los diferentes fenómenos físicos que ocurren en el arco como: modo de transferencia, reinicio del arco, frecuencia y duración del modo de transferencia, etc. El monitoreo de las señales de emisión acústica generadas por diferentes procesos se destacan por responder con mayor exactitud al fenómeno que se estudia, aunque debe señalarse su alta complejidad en el análisis. Durante los procesos de soldadura, diferentes tipos de defectos (grietas, poros, inclusiones de escorias, penetración incompleta, etc.) pueden formarse en el cordón o alrededor de la unión soldada. La formación de los defectos anteriores es acompañada por una disipación de energía en forma de ondas acústicas, lo que posibilita su estudio a través de la técnica de emisión acústica (TEA). Varios son los trabajos que se citan en diversas fuentes de información que relatan los resultados del empleo de la TEA en la detección de fallos y fenómenos de carácter metalúrgicos. Polajnar & Esmail (1999) emplean la TEA como parámetro de salida del proceso de soldadura por resistencia eléctrica por puntos y de la calidad del punto realizado. Por otra parte Zeng et al (21) estudiaron las señales de emisión acústica (EA) generadas en la soldadura por Laser usando métodos de análisis en el dominio del tiempo y la frecuencia. Las señales de EA fueron descompuestas en series discretas distribuidas en diferentes bandas de frecuencias, lo que permitió obtener mas detalles del proceso de soldadura. Los autores demostraron que las respuestas de EA obtenidas fueron representativa de la calidad final de cordón y su geometría, disminuyendo grandemente la frecuencia de <781 Hz cuando surgían defectos de soldadura, como falta de penetración o la falta de alineación de la junta soldada. La señal de emisión acústica generada durante el proceso de soldadura es la respuesta no solamente de los defectos que se forman, sino también de fuentes sonoras como son la energía generada por el arco eléctrico y la transferencia metálica en los procesos con aporte de metal. La energía del arco depende directamente de parámetros como son la intensidad de corriente y el voltaje. Norrys, 1992 expone que el control de la altura del arco en el proceso Gas Tungsten Arc Welding (GTAW) puede lograrse midiendo el nivel sonoro generado al variar su altura. Explica además que la presión de sonido se incrementa con el aumento de la altura del arco y esto puede ser usado para monitorear los cambios en este parámetro y producir señales para su corrección. El objetivo del presente trabajo es medir y analizar las señales de emisión acústica generadas durante el proceso de soldadura manual por arco eléctrico, variando parámetros como intensidad de corriente y voltaje del arco. 2. MATERIALES Y METODOS. Para el desarrollo del trabajo se empleó una fuente rectificadora BAY 54, como se muestra en la figura 1, formando parte de la instalación experimental,. Figura 1. Instalación experimental

3 La señal de emisión acústica fue adquirida usando una cadena de medición compuesta por un micrófono del tipo MV-21 con una sensibilidad de 1 ± 3 mv/pa. Como acondicionador de señal de empleó un medidor de sonido capaz de manejar señales en un rango de frecuencias de 2 Hz a 1 KHz y un rango total de 24 db a 17 db. Como elemento final de la cadena se empleó una tarjeta A/D acoplada a una PC. El análisis y procesamiento de la señal se llevó a cabo empleando un software diseñado en LabVIEW para este fin. Para el desarrollo del trabajo se realizaron experimentos con el fin de analizar y comparar los resultados de las mediciones de Nivel Sonoro en el proceso de soldadura por arco con electrodo revestido. Las mediciones del Nivel Sonoro del proceso se efectuaron en condiciones del laboratorio con nivel de ruido que no era perceptible por el sensor. Los experimentos se realizaron empleando diferentes condiciones de soldadura en las cuales se variaron los parámetros de corriente (I) y voltaje (U), como se muestra en la Tabla 1. Tabla 1. Condiciones bajo las cuales se realizaron los experimentos Corriente (A) Voltaje (V) Condición # Condición # Condición # El electrodo empleado durante el estudio fue del tipo AWS E613 con diámetro 3 mm y fue usado corriente directa polaridad invertida. La velocidad de soldadura fue mantenida constante durante la realización de los cordones, los cuales fueron depositados en probetas de acero AISI 12 con espesor de 4 mm. La altura del arco fue controlada manualmente, evitando variaciones apreciables por su influencia en el voltaje del arco. 3. RESULTADOS Y ANÁLISIS Inicialmente se caracterizó el nivel de ruido producido por la fuente de soldadura el cual alcanzó el valor de 71.5 db. En la figura 2 se muestra a través del espectrograma una caracterización en amplitud y frecuencia del ruido Tiempo (seg) (a)

4 Amplitud (V) (b) Figura 2.Comportamiento del ruido de la fuente de soldadura. Espectrograma(a), Espectro de Frecuencia (b) Como se puede apreciar en el espectrograma de la figura 2 el nivel de ruido producido por la fuente se mantuvo constante durante la realización de los experimentos y se produjo en el rango de frecuencias comprendido entre 1 Hz y 5 Hz. El color rojo dentro del espectrograma representa los valores de mayor amplitud y al color azul están asociados los valores de menor amplitud. La permanencia prácticamente constante del espectro de la señal de ruido analizada se evidencia con la aparición de líneas horizontales de un mismo nivel (color) durante todo el período de tiempo analizado. Para cada condición de experimental se realizaron tres repeticiones, las cuales arrojaron los valores de nivel sonoro que se muestran en la tabla 2. Como explica Recuero (1991), podemos determinar el nivel verdadero de la fuente sonora en un ambiente ruidoso, provocado en este caso por la fuente de soldadura, que como ya citado anteriormente fue de 71.5 db. Tabla 2. Niveles sonoros reales emitidos durante los experimentos. Condición # 1 Condición # 2 Condición # 3 Nivel Sonoro (db) Nivel Sonoro Real (db) Para la condición 1 teniendo en cuenta que la diferencia entre el nivel de la señal de ruido y el nivel sonoro total es mayor de 3 db, podemos hallar el valor real que emite la fuente sonora como explica Recuero (1991). El autor establece que cuando la diferencia entre estos es menor que 1 db se debe realizar una corrección, la cual consiste en obtener por vía grafica analítica un valor de corrección que es restado al nivel sonoro total, obteniéndose el valor de nivel real emitido durante la realización de los experimentos (Tabla 2). Esta corrección solo fue necesario realizarla para los experimentos llevados a cabo en la condición 1 debido a que para las situaciones estudiadas en las condiciones 2 y 3, la diferencia entre

5 los niveles totales y el ruido provocado por la fuente de soldadura es mayor que 1, por lo que no fue necesario efectuar una corrección por el efecto relativo del ruido ambiental, que se considera despreciable según Recuero (1991). Las repeticiones realizadas para cada condición de trabajo arrojaron valores de nivel sonoro con bajo nivel de dispersión. Como se observa en la tabla 2 los valores de nivel sonoro aumentaron con el paso de la condición 1 a la 3. Esto está asociado al incremento en los valores de intensidad de corriente y voltaje del arco o lo que es lo mismo un aumento de su energía. Las amplitudes de las señales en el tiempo, así como los histogramas, espectros de frecuencias, RMS, desviación estándar y varianza fueron determinados para cada condición de soldadura. En las figuras 3, 4 y 5 se muestran para cada condición, los espectros de frecuencia y los espectrogramas, obtenidos después del tratamiento de las señales temporales I= 1 A V= 2 V.3 Amplitud (V) (a) Tiempo (seg) (b) Figura 3. Condición #1. Espectro de Frecuencia (a), Espectrograma (b).

6 I= 15 A V= 22 V.3 Amplitud (V) (a) Tiempo (seg) (b) Figura 4. Condición #2. Espectro de Frecuencia (a), Espectrograma (b) I= 2 A V= 32 V.3 Amplitud (V) (a)

7 Tiempo (seg) (b) Figura 5. Condición #3. Espectro de Frecuencia(a), Espectrograma (b) Cuando se observa los espectros de frecuencia para cada condición (figuras 3a, 4a y 5a) se constata que la componente de baja frecuencia asociada al ruido producido por la maquina, estuvo presente en los experimentos realizados, comportándose de forma estable. Además de esto, se aprecia la aparición de picos en las altas frecuencias que aumentan su amplitud a medida que se aumentan los parámetros del proceso. La aparición de estas componentes de altas frecuencias puede estar asociada al fenómeno de transferencia metálica y al aumento de energía del arco. En los espectrogramas mostrados para cada condición se observa poca variabilidad del espectro a todo lo largo del ensayo. Las intermitencias dentro del espectrograma pueden estar asociadas a variaciones en la altura del arco producto del método manual empleado y al tiempo de cortocircuito durante la transferencia metálica. En la Tabla 3 se puede apreciar comparativamente los valores de las desviaciones estándar de la señal sonora emitida para todas las condiciones ensayadas. Este parámetro que caracteriza al proceso fue monitoreado a lo largo de cada uno de los ensayos y se apreció que aumento de este cuando se incrementaron en los experimentos los valores de voltaje y corriente, probablemente ocasionado por la mayor incidencia de corto circuitos aleatorios y el aumento de fenómenos eléctricos en el arco de soldadura. Tabla 3. Caracterización estadística de la señal sonora emitida durante las pruebas Prueba Desviación Estándar Condición # 1.64 Condición # 2.11 Condición # CONCLUSIONES. Al analizar los resultados obtenidos en este trabajo puede concluirse que: Se demuestra la viabilidad del uso de la técnica de análisis de emisión acústica para el estudio y caracterización de la estabilidad de los procesos de soldadura. Cuando aumentó la corriente y el voltaje del arco ocurrió un aumento del nivel sonoro del proceso El aumento de las condiciones de soldadura provoca la aparición de armónicos de alta frecuencia, asociados a la variación de la forma de transferencia y a un arco de soldadura con energía superior

8 A pesar de las variaciones propias del proceso SMAW, se observaron espectros de frecuencias estables durante la realización de los ensayos para cada una de las condiciones empleadas. El comportamiento de los parámetros estadísticos de la señal sonora mostró que cuando aumentaron los parámetros del proceso de soldadura la estabilidad del mismo disminuyó. 5. REFERENCIAS. Apasov, A.M.; Analysis of Failure of Welded Joints During Welding ; Russian Journal of Nondestructive Testing; 32 (1): ; Oct; Norrish, J.; 1992; Advanced Welding Process ; Series Ed. John Wood, Notthingam University, UK, Diran Apelian, Worcester Polytechnic Institute, USA, 275p. Polajnar, I. and Esmail, E.A.; Sources of Acoustic Emission in Resistance Spot Welding; Strojniski Vestnik-Journal of Mechanical Engineering ; 45 (4): ; Zeng. H et al ; Wavelet Analysis of Acoustic Emission Signals and Quality Control in Laser Welding ; Journal of Laser Application; 13 (4): ; Aug; 21. Recuero, M.L.; 1991; Ingeniería Acústica ; Ed. Izquierdo, S.A., Madrid, España; pp 18:111. Ponomarev, O et al; Arc Welding Process Statistical Análisis ; Ed. The European Institute for the Joining of Materials, JOM-Institute ACOUSTIC EMISSION CHARACTERIZATION OF THE SHIELDING METAL ARC WELDING (SMAW) PROCESS Hipólito Carvajal Fals. Mechanical Engineering Faculty. Universidad de Oriente. Santiago de Cuba. CUBA hcf151@yahoo.es Angel Sánchez Roca. Mechanical Engineering Faculty. Universidad de Oriente. Santiago de Cuba. CUBA sanchez@asr.uo.edu.cu Abstract. This report is aimed to a characterized of the manual metal arc welding process using the acoustic emission technique. In this experiments were employed 3 mm AWS E613 electrode and a BAY 54 power source. Three different welding conditions were studied, in which were change the arc voltage and welding current. The welding speed was constant during the process. The weld bead was made in AISI 12 steel with 4 mm of thickness. The measurements of acoustic emission signals were obtained by means of a measurement system compound by: a MV-21 microphone with sensibility of 1±3 mv/pa, a signal conditioner to manage signals since 2 Hz to 1 Hz frequencies range and a total range of 24 db to 17 db. As a final element was used a A/D card linked to a PC by means a software it allowed analyzing and processing of the signal data. The noise caused by power source was characterized by amplitude and frequency. The signal amplitude in the time, as well as the histograms, frequencies spectrum, RMS values(root Mean Square), standard deviation and variance were determined for each welding condition. The frequency ranges characterizing the process regarding the used condition were exposed as well. The experiment verified that with the increase of the arc voltage and welding current took place an increment of the signal energy characterized by an greater RMS value, as well as was observed also an increase in the dispersion of the acquire data. Keywords: welding process SMAW, acoustic emission, frequency spectrum, statistical analysis