INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL. CENTRO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS No. 7 CUAUHTÉMOC ACADEMIA DE SOLDADURA INDUSTRIAL

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1 INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL CENTRO DE ESTUDIOS CIENTÍFICOS Y TECNOLÓGICOS No. 7 CUAUHTÉMOC ACADEMIA DE SOLDADURA INDUSTRIAL MANUAL DE ANÁLISIS DE EFECTOS DE LOS CAMBIOS EN LAS VARIABLES ESENCIALES DEL PROCESO DE SOLDADURA POR ARCO METÁLICO PROTEGIDO, EN UNIONES DE ESTRUCTURAS DE ACERO. LUIS GABRIEL ZÁRATE ORDOÑO GUADALUPE AQUINO MENDIETA CÉSAR BERNACHE GONZÁLEZ LUCERO ABIGAIL CORTES TAPIA (ALUMNA PIFI) 2013 Página 0 de 28

2 Cada vez se reconoce más la importancia que tiene la soldadura en la fabricación de productos de grandes dimensiones y de gran costo, pero que además si llegarán a fallar podría ocasionar incluso la pérdida de vidas humanas. Entre estos productos, podemos mencionar a los recipientes sometidos a presión, las calderas, las tuberías que conducen gas o petróleo, y las estructuras de acero que forman parte de grandes construcciones, como edificios o los enormes puentes de nuestros días. Para la elaboración de los productos mencionados anteriormente, se deben seguir instrucciones muy específicas de los materiales a emplear, de los métodos y las técnicas a seguir, de las pruebas a las que deben estar sometidos los productos a fin de asegurar la calidad de los mismos, e incluso las características que deben cumplir las personas que participarán en los distintos procesos que intervienen en la manufactura. Los procesos de aplicación de soldaduras no son la excepción y también se detallan en dichas instrucciones, que técnicamente están contenidas en documentos llamados códigos. La correcta realización de una soldadura, en nuestros días, además estar relacionada con la experiencia y habilidad de los soldadores o de los operadores de soldadura, tiene que ver con el cumplimiento de las especificaciones establecidas en un código, el cual dependiendo del producto a realizar y del trabajo que va a desarrollar éste y sus componentes, define los procesos que se pueden utilizar, los materiales base y de aporte, las características eléctricas a controlar, las juntas que se deben utilizar, las características y dimensiones que la soldadura debe cumplir, los tratamientos térmicos antes y después de la soldadura y la técnica a aplicar, que por su condición y por la gran cantidad de combinaciones que se pueden dar entre ellas, se denominan variables. La modificación de las variables establecidas en un código, para una aplicación de una soldadura o de los elementos que intervienen en ella, puede afectar la resistencia mecánica de ésta y consecuentemente llegar a no cumplir con los requisitos establecidos y necesarios, lo que daría como resultado el poner en riesgo la calidad del producto. De aquí, la necesidad que los códigos establezcan que es lo que no se puede cambiar en las variables de soldadura, sin embargo, no es su objetivo explicar las razones que se tienen para indicar que tal o cual cosa no se debe hacer, es decir, no señalan o instruyen que pasaría especifica y detalladamente si se pasan por alto las instrucciones dadas en ellos. Lo cual sería importante que vieran técnica y físicamente alumnos de carreras como la de Técnico en Soldadura Industrial, que se imparte en el Centro de Estudios Científicos y Tecnológicos No. 7 Cuauhtémoc, del Instituto Politécnico Nacional, para que analicen las consecuencias que tendría salirse de las especificaciones de un código, y tener de manera clara, a quien se lo solicite, una forma de explicar los efectos que se presentan en una soldadura si no se realizan las actividades como fueron planeadas originalmente, una vez que fueron debidamente comprobadas que funcionan. Esto es, la especificación de variables se define en un documento llamado Especificación de Procedimiento de Soldadura (EPS), el cual debe ser seguido por un soldador con la habilidad necesaria, para posteriormente probar que el procedimiento se diseñó de la manera correcta y que podrá ser seguido por cualquier soldador calificado. Las pruebas deberán documentarse en el Registro de Calificación de Procedimiento (PQR), y deberá estar disponible para quien lo solicite, a menos que el código defina otra cosa. Página 1 de 28

3 En el caso de este Manual, se empleará y trabajará de acuerdo a las especificaciones del código AWS D1.1 Código de Soldadura de Acero Estructural, definiendo las variables de soldadura, de una junta precalificada que no requiere, por indicaciones del mismo código, la realización de pruebas que comprueben el buen diseño del procedimiento de soldadura en un formato definido como Especificación de Procedimiento de Soldadura (EPS). Una vez que se tenga definido el contenido del formato EPS (WPS, en inglés), se establecerán las variables que se modificarán para realizar las soldaduras necesarias que nos permitan analizar y definir específicamente que sucede si se trabaja fuera de lo permitido por el mismo código. El estudio mencionado se enfocará a las variables conocidas Variables Esenciales, a las cuales se les señala que un cambio más allá de lo permitido, por el código, requeriría la elaboración de un nuevo WPS (EPS, en español), cuyas soldaduras deberán ser nuevamente sometidas a prueba, porque se considera que afectarían las propiedades mecánicas de las soldaduras. Con este trabajo se espera facilitar la explicación a los jóvenes de la carrera Técnica de Soldadura Industrial, del Centro de Estudios Científicos y Tecnológicos No. 7 Cuauhtémoc, los efectos que puede tener el no cumplir las especificaciones de un código y cómo repercutiría esto en un trabajo de importancia relevante, con un retraso en los procesos y en los tiempos de entrega, con el consecuente aumento en los costos de fabricación de un producto. La Especificación de Procedimiento de Soldadura, se direccionará al Proceso de Soldadura de Arco Metálico Protegido (SMAW, en inglés), ya que éste es un proceso básico, manejado por alumnos que recién se incorporan a la carrera antes mencionada, a partir del tercer semestre de bachillerato. Página 2 de 28

4 TABLA DE CONTENIDO CONTENIDO PÁG. CÓDIGO AWS D1.1 4 ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA (WPS o EPS) 15 VARIABLES ESENCIALES A MODIFICAR 17 EFECTO DE LAS MODIFICACIONES A VARIABLES ESENCIALES 18 CONCLUSIONES. 27 BIBLIOGRAFÍA Y CIBERGRAFÍA 28 Página 3 de 28

5 CÓDIGO AWS D1.1 SOLDADURA DE ACERO ESTRUCTURAL La Sociedad Americana de Soldadura (AWS) establece en este código los requisitos para la fabricación y el montaje de estructuras de acero soldadas, usadas por ejemplo, en edificios o puentes. El código AWS D1.1 contiene las siguientes secciones o apartados: 1. Requerimientos Generales: contiene las generalidades y las limitaciones del código. 2. Diseño de Conexiones Soldadas: define los requisitos para el diseño de las conexiones soldadas, ya sea con elementos tubulares o no-tubulares. 3. Precalificación: Establece los requerimientos sobre las excepciones de los WPS (Welding Procedure Specification; Especificación de Procedimientos de Soldadura ), en cuanto a los requerimientos de calificación de este código. 4. Calificación: Señala los requisitos de calificación para WPS s y para el personal de soldadura (soldadores, operadores de soldaduras y punteadores) que se necesitan para realizar el trabajo. 5. Fabricación: Indica los requerimientos, para la preparación, el armado estructural y la mano de obra para las estructuras de acero soldadas. 6. Inspección: contiene los criterios para la calificación y responsabilidad de Inspectores, los criterios de aceptación para la producción de soldaduras y los procedimientos para realizar la inspección visual y los ensayos no destructivos. 7. Soldadura Stud : Define los requerimientos para la soldadura de pernos a acero estructural. 8. Refuerzo y Reparación de Estructuras: indica la metodología a seguir para llevar a cabo la modificación o reparación de estructuras de acero soldadas. A pesar de que este código señala los requisitos que deben cumplir las estructuras de acero, no deberá ser utilizado para: (1) Aceros con una resistencia mínima a la cedencia mayor a 100 ksi (690 MPa). (2) Aceros de un espesor menor a 1/8 de pulgada (3 mm). Cuando se vayan a soldar metales base más delgados de 1/8 de pulgada (3 mm), deberán aplicarse el código AWS D1.3 Código de Soldadura Estructural en Láminas de Acero. (3) Recipientes o tuberías sometidas a presión. (4) Metales base distintos a aceros al carbono o de baja aleación. Para estructuras de acero inoxidable deberá usarse el código AWS D1.6 Código de Soldadura Estructural para Acero Inoxidable. Algunos aspectos señalados en el código AWS D1.1 que es importante tener en cuenta, para la realización de este trabajo, y que es necesario conocer para darnos cuenta del contenido general de dicho documento, se describen a continuación. En la sección 2: Diseño para las conexiones soldadas, se indica: Las soldaduras de ranura, efectuadas por un solo lado, sin placa de respaldo, o con placas de respaldo que no sean de acero, que no hayan sido previamente calificadas, deberán prohibirse, excepto que dichas prohibiciones no apliquen para lo siguiente: 1) Sean a miembros secundarios o que no estén sometidos a grandes esfuerzos. 2) Uniones en esquina paralelas a la dirección de esfuerzos calculados entre los componentes de los elementos construidos. Página 4 de 28

6 Las soldaduras de bisel y en J, en uniones a tope en posición plana, están prohibidas cuando se puedan realizar uniones en V o en U. Quedan prohibidas las soldaduras de filete inferiores a 3/16 (5 mm). La sección 3, denominada Precalificación de WPS s (Especificaciones de Procedimientos de Soldadura), señala: La precalificación de los WPS s (Especificaciones de Procedimientos de Soldadura) implica la excepción de las pruebas de calificación de los WPS s requeridas en este código. Todos los WPS s precalificados deberán estar por escrito y para que un WPS sea precalificado, deberá cumplir todos los requerimientos aplicables de esta sección. Los WPS s que no estén en total conformidad con dichos requerimientos pueden ser calificados por pruebas en conformidad con la Sección 4. Los WPS s de los procesos SMAW, SAW, GMAW (excepto GMAW-S), y FCAW, que estén en total conformidad con las estipulaciones de esta sección, deberán considerarse como precalificados y por lo tanto estarán aprobados para su uso sin realizar las pruebas de calificación de los WPS s. Sólo pueden utilizarse los metales base y los metales de aporte listados en la Tabla 3.1, en los WPS s precalificados (para la calificación de los metales base y los metales de aporte listados, y para los metales base y los metales de aporte no listados en la Tabla 3.1, ver ). Nota: A partir de la tabla 3.1, sólo se hará referencia a los materiales y características que se pretenden usar como base en este trabajo. GRUPO I TABLA 3.1 COMBINACIONES PRECALIFICADAS DE METAL BASE METAL DE APORTE POR RESISTENCIA (VER 3.3) REQUISITOS ESPECIFICADOS PARA ACEROS REQUERIMIENTOS METAL DE APORTE ESFUERZO RANGO DE ESPECIFICACIÓN DE MINIMO DE ESPECIFICACIÓN TENSIÓN PROCESO CLASIFICACIÓN ACERO CEDENCIA AWS ASTM A36 ksi MPa ksi Mpa ¾ (20 mm) SMAW A5.1 E60XX, E70XX A5.5 E70XX-X La temperatura de precalentamiento y entre-pasos deberá ser lo suficiente como para evitar agrietamiento. La Tabla 3.2 deberá utilizarse para determinar las temperaturas mínimas de precalentamiento y entre-pasadas para los aceros listados en el código. CATEGORIA A B TABLA 3.2 TEMPERATURA MÍNIMA PRECALIFICADA DE PRECALENTAMIENTO Y ENTRE PASOS (VER 3.5) ESPESOR DE LA PARTE TEMPERATURA MÍNIMA DE PROCESO ESPECIFICACION DE EN EL PUNTO DE LA PRECALENTAMIENTO Y ENTRE DE ACERO SOLDADURA PASOS SOLDADURA in. mm o F o C ASTM A36 ASTM A36 SMAW con otros electrodos que los de bajo hidrógeno SMAW con electrodos de bajo hidrógeno 1/8 a ¾ inclusive 1/8 a ¾ inclusive 3 a 20 inclusive 3 a 20 inclusive Página 5 de 28

7 Todos los WPS s precalificados que se vayan a utilizar deberán ser preparados por el fabricante, constructor o contratista de acuerdo a lo que esté escrito en los WPS precalificados, y deberán estar disponibles para aquellos que estén autorizados para usarlos o examinarlos. Los WPS s escritos pueden tener cualquier formato conveniente. Los parámetros de las soldaduras establecidos en el punto (1) hasta el punto (4) de esta subsección deberán especificarse por escrito en los WPS s dentro de la limitación de variables descritas en la Tabla 4.5 aplicables para cada proceso. Los cambios en estos parámetros, más allá de aquellos especificados por escrito en el WPS, deberán considerarse como cambios esenciales que requerirán de un nuevo WPS escrito o de una revisión del WPS-precalificado: (1) Amperaje (velocidad de alimentación del alambre) (2) Voltaje (3) Velocidad de Avance (4) Tasa de Flujo del gas de protección Todos los requerimientos de la Tabla 3.7 deberán cumplirse para los WPS precalificados. TABLA 3.7 REQUERIMIENTOS PARA LOS PROCESOS DE PRECALIFICACIÓN DE LOS WPS VARIABLE POSICIÓN TIPO DE SOLDADURA PROCESO SMAW Diámetro máximo del electrodo Plana De Ranura 5/16 (8mm) Corriente máxima Todas Pasada de raíz en soldadura de ranura con abertura. Espesor máximo de la pasada de raíz Plana Todas 3/8 (10 mm) Dentro del rango de operación recomendado por el fabricante del metal de aporte. Las soldaduras de ranura con penetración parcial deberán hacerse utilizando los detalles de la unión descritos en la Figura 3.3. Proceso de Soldadura Designación de la Junta Espesor de Metal Base (U=ilimitado) T 1 T 2 SMAW B-P1c 6 máx Abertura de Raíz T 1 R=---- min 2 Preparación de la Ranura Como se detalla (ver ) Tolerancias Como se termina (ver ) Posiciones de Soldadura Permitidas +2, Todas Tamaño de Soldadura Total (E1 + E2) T 1 2 Página 6 de 28

8 El tamaño de la soldadura (E) de una ranura precalificada de penetración parcial deberá ser tal como lo muestra la Figura 3.3 para el proceso de una soldadura particular, para la designación de la unión, para el ángulo de la ranura y para la posición de la soldadura propuestas para el uso en la fabricación de la soldadura. TABLA 3.4 TAMAÑO DE SOLDADURA (S) MINIMA PRECALIFICADA PJP ESPESOR DE METAL BASE (T) TAMAÑO DE SOLDADURA MÍNIMO In. (mm) in mm SOBRE 3/16 (5) A ¼ (6), INCLUSIVE 1/8 3 Las dimensiones de las soldaduras de ranura pueden variar en su diseño o en los planos de detalle, dentro de los límites de las tolerancias que se muestran en la columna de la Figura 3.3 llamada Cómo se detalla. Las tolerancias del Cómo se Terminan de la Figura 3.3 pueden aplicarse a las dimensiones que se muestran en los planos de detalles. Sin embargo, el uso de las tolerancias del cómo se terminan no eximen al usuario en cuanto al cumplimiento de los requerimientos mínimos sobre el tamaño de la soldadura. Dentro de la sección 4: Calificación, se marca: Con propósitos de calificación de los WPS s, los tipos de soldaduras se clasifican en: (1) Soldaduras de ranura de Penetración Completa para Conexiones No-tubulares. (2) Soldaduras de Ranura de Penetración Parcial para Conexiones No-tubulares. (3) Soldaduras de Filete para Conexiones Tubulares y No-tubulares. (4) Soldaduras de ranura de Penetración Completa para Conexiones Tubulares. (5) Soldaduras de ranura de Penetración Parcial para Conexiones Tubulares en T, Y y K, y para Uniones a tope. (6) Soldaduras tipo tapón redondo y tipo tapón ovalado, para conexiones tubulares y no-tubulares. El fabricante o contratista deberá preparar por escrito los WPS que especifiquen todas las variables esenciales aplicables. Los valores específicos para esas variables deberán obtenerse del Registro de Procedimiento de Calificación (PQR), el cual sirve como confirmación escrita de una calificación de WPS exitosa. Los cambios más allá de las limitaciones de las Variables Esenciales para los procesos SMAW, SAW, GMAW, GTAW y FCAW, que se muestran en las Tablas 4.5 y 4.6, requieren la recalificación de los WPS s. La tabla 4.6, se refiere a Variables Suplementarias, que aplican sólo en el caso de que se especifique la realización de ensayos de impacto. Página 7 de 28

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13 Un formato sugerido para el WPS, se muestra a continuación. Página 12 de 28

14 En la sección 5: Fabricación, se menciona, entre otras cosas, lo siguiente:. Cuando el Ingeniero lo solicite, el contratista o el fabricante deberán entregar el certificado que avale que el electrodo o la combinación de fundente-electrodo esta en conformidad con los requerimientos de la clasificación. Los electrodos para el proceso SMAW (soldadura de arco metálico protegido) deberán estar en conformidad con los requerimientos de la última edición de AWS A5.1, Especificación para Electrodos de Acero al Carbono para Soldadura de Arco Metálico Protegido (Specification for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding) o con los requerimientos de AWS A5.5, Especificación para Electrodos de baja Aleación de Acero para Soldaduras de Arco Metálico Protegido (Specification for Low Alloy Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding). Todos los electrodos que tengan recubrimientos de bajo hidrógeno, en conformidad con AWS A5.1 y AWS A5.5, deberán comprarse en contenedores sellados herméticamente, o el usuario deberá secarlos, previamente a su uso. Inmediatamente después de abrir el contenedor que está herméticamente sellado, los electrodos deberán almacenarse en hornos mantenidos a una temperatura de a lo menos 250º F [120º C]. Los electrodos no deberán re-secarse más de una vez. Los electrodos que se hayan humedecido no deberán volverse a utilizar. Las variables de soldaduras deberán estar en conformidad con un proceso WPS escrito. Cada pasada deberá tener fusión completa con el metal base adyacente y no deberá haber depresiones o socavamientos indebidos en la garganta de la soldadura. La concavidad excesiva de las pasadas iniciales deberá evitar el agrietamiento en la raíz de las uniones bajo restricción. Todos los soldadores, los operadores de soldadura y los punteadores deberán estar informados sobre el uso apropiado de los procesos WPS; y deberá seguirse el proceso WPS aplicable durante la ejecución de la soldadura. NOTAS DE OBSERVACIÓN GENERAL. Aunque los WPS s precalificados están exentos de pruebas, el código requiere que el contratista prepare un WPS por escrito para usarse en la fabricación. Éste es un registro de materiales y de las variables de soldaduras, el cual muestra que el WPS cumple con los requerimientos para un estatus precalificado. Es la intención del código que los soldadores, operadores de soldaduras, punteadores y el personal de inspección tenga acceso a los WPS precalificados por escrito. La forma del cordón de soldadura es un factor importante que afecta el agrietamiento de la soldadura. La solidificación del metal de soldadura fundido se inicia en los lados del metal de soldadura y continúa hacia adentro hasta completarse. El último metal líquido en solidificarse permanece en un plano a través de la línea central de la soldadura. Si la profundidad de la soldadura es mayor que el ancho de la cara, la superficie de la soldadura puede solidificarse previo a la solidificación en el centro. Cuando esto ocurre, las fuerzas de contracción actúan en el centro o núcleo semi-líquido, aún caliente de la soldadura, que puede provocar el desarrollo de una grieta en la línea central. Esta grieta puede extenderse a toda la longitud de la soldadura y puede o no ser visible en la superficie de la soldadura. Esta condición también puede ocurrir cuando las soldaduras de filete se realizan simultáneamente en ambos lados de una unión con los arcos directamente opuestos entre sí. Página 13 de 28

15 Este código permite algún grado de incumplimiento de las variables utilizadas para calificar un WPS. Sin embargo, el incumplimiento de esas variables afecta la composición mecánica o química de las propiedades del material, o la buena calidad de la pieza soldada, y no deberán permitirse realizarse sin recalificación. Éstas últimas se definen como Variables Esenciales. Las Variables Esenciales deben estar especificadas en los WPS s y deben seguirse en la fabricación de soldadura. Página 14 de 28

16 ESPECIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA (WPS o EPS) Basándonos en la información analizada anteriormente del código AWS D1.1 para Soldadura de Acero Estructural, y considerando, por principio de cuentas el uso de una junta precalificada y la correspondiente selección del material base y del material de aporte, partiremos de ahí para determinar las siguientes variables del proceso, que se registrarán en un formato WPS o EPS. La junta precalificada corresponde a la identificada como B-P1c, que se encuentra descrita en cuanto a su forma y dimensiones generales en la figura 3.3 del código. Tal junta precalificada se considera de Penetración Parcial, y se puede describir de la siguiente manera: Junta a tope, cuadrada, sin preparación (bisel). Soldadura de Ranura, a realizarse primero por un lado y después por el otro. Abertura de Raíz de la mitad de la dimensión del espesor de las placas a unir, la que sea de menor espesor. Una vez definida la junta a realizar y considerando que se empleará el proceso de Soldadura de Electrodo Revestido, denominado técnicamente SMAW (Soldadura de Arco Metálico Protegido), se determinan los materiales base y de aporte, que inicialmente se emplearán: Material Base: Placa ASTM-A36, de ¼ (6 mm) de espesor, largo de 4 (100 mm), y un ancho de 2 (50 mm). Material de Aporte: Electrodo E-7018, de 1/8 (3mm) de diámetro. Una vez seleccionada la junta a soldar, el proceso de soldadura, el material base y el material de aporte, se procede a llenar el formato WPS, que contendrá todas las variables a ser controladas durante la aplicación o la ejecución de la soldadura. Obviamente este formato deberá ser llenado con datos reales, obtenidos de información técnica confiable, porque son los que de inicio deberá seguir un soldador, y que su veracidad ya fue probada, sólo que en nuestro caso por ser una junta precalificada y atendiendo a la experiencia del personal docente del CECyT No. 7 Cuauhtémoc, dichas pruebas no fueron realizadas. Por el tipo de material base a usar y al ser el proceso SMAW, un proceso completamente manual, que depende en gran medida de la habilidad del soldador, en el formato WPS, sólo se realizó el llenado de las secciones correspondientes a: Diseño de la Junta. Metales Base. Metales de Aporte. Posición. Características Eléctricas, y Técnica. El formato WPS, del que partiremos para nuestro estudio y sobre el cual se realizarán modificaciones a algunas variables consideradas esenciales, se presenta a continuación: Página 15 de 28

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18 VARIABLES ESENCIALES A MODIFICAR Considerando los recursos disponibles, se eligieron las variables esenciales establecidas en el Código AWS D1.1, que físicamente se podrían modificar fuera de lo establecido por el mismo código, a fin de analizar los efectos que tienen los cambios realizados. No debemos olvidar que el código señala que el cambio más allá de lo especificado en dichas variables requerirá la recalificación del WPS (Especificación de Procedimiento de Soldadura), debiéndose realizar pruebas que demuestren que los cambios realizados no afectarán las propiedades y el funcionamiento esperado de las soldaduras. Las variables esenciales, así consideradas, en este trabajo, son: Metal de Aporte. Un aumento en la resistencia de la clasificación del metal de aporte. Un cambio de un electrodo de bajo hidrógeno a uno que no lo sea. Un cambio en la clasificación de un electrodo no cubierta en AWS A5.1 ó 5.5. Electrodo. Un cambio en el diámetro nominal del electrodo por más de 1/32 (0.8 mm). Parámetros Eléctricos. Un cambio en el amperaje para cada diámetro usado, con respecto al valor recomendado por el fabricante. General. Un cambio en la posición. Una disminución en la abertura de raíz Página 17 de 28

19 EFECTO DE LAS MODIFICACIONES A VARIABLES ESENCIALES UNIÓN INICIAL (PIEZA 0) Soldada de acuerdo a las indicaciones del EPS (WPS) revisión 0. LADO 1 LADO 2 Pieza soldada con electrodo E-7018, en posición 1G, con un amperaje de amperes. Se logró una mediana penetración. Tanto la soldadura en el lado 1, como en el lado 2, se encuentran dentro de especificaciones (refuerzo de 2 mm, ancho de la soldadura de 7 mm y máxima profundidad de socavado de 1 mm), aunque la apariencia del cordón no es uniforme. UNIÓN EN PIEZA 1. Variable Esencial: UN AUMENTO EN LA RESISTENCIA DE LA CLASIFICACIÓN DEL METAL DE APORTE. Modificación Realizada. En lugar de utilizar el electrodo E-7018, se utilizó un electrodo E-9018, ambos con diámetro de 1/8 (3mm). Análisis Previo (teórico) de la modificación. a) Semejanzas. Los dos electrodos (E-7018 y E-9018), son electrodos de bajo hidrógeno con polvo de hierro en el revestimiento para soldar en todas posiciones. Por ser de bajo hidrógeno, se reducen al mínimo las posibilidades de agrietamiento en la soldadura. Ambos electrodos se deben aplicar con Corriente Directa, Electrodo al Positivo (polaridad invertida), son de fácil manejo para los soldadores, se sueldan en todas posiciones, tienen un arco estable, sin salpicaduras, el desprendimiento de escoria es fácil y los cordones depositados son de aspecto fino. Para un mismo diámetro, los dos tipos de electrodos se aplican con el mismo rango de intensidad de corriente (amperaje). b) Diferencias Generales. - El electrodo E-7018 es un electrodo de acero al carbono, que cumple la especificación AWS A5.1 Especificación para Electrodos de Acero al Carbono para la Soldadura de Arco Metálico Protegido. Es el más versátil en la industria metalmecánica, en la construcción y en actividades de mantenimiento, tiene altas propiedades mecánicas a temperaturas bajo cero. Se puede utilizar para soldar aceros con alto contenido de azufre. Página 18 de 28

20 - El electrodo E-9018 es un electrodo de Acero al Cromo-Molibdeno, que cumple la especificación AWS A5.5 Especificación para Electrodos de Acero de Baja Aleación para la Soldadura de Arco Metálico Protegido. Es empleado para temperaturas de servicio de hasta 600 C, es resistente a grandes esfuerzos, al calor y a la corrosión, sobre todo en ambientes sulfurosos. Su depósito es tratable térmicamente por temple, recocido y cementación. Razones por las que se considera como variable esencial. i) Características mecánicas. Resistencia a Clasificación la Tensión MPa (psi) Límite Elástico MPa (psi) Elongación % Impacto Charpy a -30 o Joules E (70,000) 400 (50,000) E (90,000) 530 (77,000) 17 * * El depósito tiene un alto valor de resistencia a la tensión, pero ello conlleva que tenga también una dureza mayor, que a su vez lo hace más frágil, lo cual puede comprobarse con la reducción del porcentaje de elongación que puede soportar (de 22 a 17) y que también lo limita en cuanto a su resistencia al impacto. ii) Composición Química. Clasificación % C % Mn % Si % P % S máx. máx. máx. máx. % Cr 1 % Mo 1 E máx máx máx. E Tanto el Cromo como el Molibdeno, en una soldadura de acero al carbono incrementan la dureza. El Cromo también interviene en aumentar la resistencia al desgaste. iii) Exposición a la Intemperie. A fin de reducir porosidades que redunden en una disminución de la resistencia mecánica de la soldadura, los electrodos E-7018, una vez que se extraen de su empaque original para utilizarlos, no deben exponerse a la intemperie por más de tres horas, a diferencia de los electrodos E-9018, que no deben exponerse por más de una hora. En caso de que se humedezcan, deben reacondicionarse únicamente en horno, dos ocasiones como máximo, a una temperatura comprendida entre 260 C y 425 C por espacio de 1 a 2 horas. Efecto físico en la soldadura. LADO 1 LADO 2 Página 19 de 28

21 En la pieza soldada con electrodo E-9018, con el mismo amperaje que el anterior, se observa una menor penetración y mayor resistencia al avance, la escoria se muestra difícil de desprender. La soldadura del lado 1 se encuentra dentro de especificaciones (refuerzo de 3 mm, ancho de la soldadura de 7 mm y máxima profundidad de socavado de 1 mm). La soldadura del lado 2 presenta falta de llenado, es decir, la soldadura quedo debajo de la superficie de las placas que se unieron, por lo que no se pudo medir el refuerzo, ni el ancho de esta soldadura, también se aprecia en este lado chisporroteo de tamaño considerable, originado entre otras cosas por una longitud de arco demasiado grande, aunado a la gran cantidad de calor generada. Definitivamente esta unión no se puede considerar como aceptable. UNIÓN EN PIEZA 2. Variable Esencial: UN CAMBIO DE UN ELECTRODO DE BAJO HIDRÓGENO A UNO UNO QUE NO LO SEA. Modificación Realizada. En lugar de utilizar el electrodo E-7018, se utilizó un electrodo E-7014, ambos con diámetro de 1/8 (3mm). Análisis Previo (teórico) de la modificación. a) Semejanzas. Los dos electrodos (E-7018 y E-7014), son electrodos con polvo de hierro en el revestimiento para soldar en todas posiciones, que proporcionan a la soldadura una resistencia a la tensión de 70,000 psi. De alta eficiencia, con un alto rendimiento como material depositado. Su aplicación es sumamente fácil gracias a su rápido encendido y reencendido, así como su arco suave y terso acabado. Ambos electrodos están incluidos en la especificación AWS A5.1 Especificación para Electrodos de Acero al Carbono para la Soldadura de Arco Metálico Protegido. b) Diferencias Generales. El electrodo E-7018 se aplica usando Corriente Directa Polaridad Invertida, y el electrodo E-7014 se puede utilizar con cualquier tipo de Corriente (Alterna o Directa, en ésta última, en cualquier polaridad) Razones por las que se considera como variable esencial. El electrodo E-7018 es un electrodo de bajo hidrógeno y el electrodo E-7014 no lo es. Esta diferencia puede provocar que la soldadura presente porosidades que disminuyen la calidad de la soldadura, por disminuir la resistencia a la tensión de ésta. Efecto físico en la soldadura. LADO 1 LADO 2 Página 20 de 28

22 En la pieza soldada con un E-7024 lo primero que se observa es un chisporroteo excesivo así como una penetración media y en el cordón del lado 2 se observa un rechupe pronunciado en la mayor parte del mismo. La soldadura del lado 1 tiene un refuerzo de 3 mm y un ancho de la soldadura de 8 mm, que se considera aceptable, aunque la velocidad de avance fue alta. En el lado 2, la soldadura presenta grandes hundimientos, socavado y gran cantidad de chisporroteo. Esta unión tampoco puede considerarse como aceptable. UNIÓN EN PIEZA 3. Variable Esencial: UN CAMBIO EN LA CLASIFICACIÓN DE UN ELECTRODO NO CUBIERTA EN AWS A5.1 Ó 5.5. Modificación Realizada. En lugar de utilizar el electrodo E-7018, se utilizó un electrodo E , ambos con diámetro de 1/8 (3mm). Análisis Previo (teórico) de la modificación. a) Semejanzas. Los dos electrodos (E-7018 y E ), son electrodos que se pueden aplicar sobre placas de acero al carbono. b) Diferencias Generales. - El electrodo E-7018 se aplica usando Corriente Directa Polaridad Invertida, mientras que el electrodo E se puede utilizar con Corriente Alterna o Directa Polaridad Invertida. - El electrodo E-7018 es un electrodo de acero al carbono, que cumple la especificación AWS A5.1 Especificación para Electrodos de Acero al Carbono para la Soldadura de Arco Metálico Protegido, y el electrodo E es un electrodo de Acero Inoxidable, que cumple la especificación AWS A5.4 Especificación para Electrodos de Acero Inoxidable para la Soldadura de Arco Metálico Protegido. Razones por las que se considera como variable esencial. i) Características mecánicas. Clasificación Resistencia a la Tensión 2 MPa (psi) Límite Elástico MPa (psi) Elongación 2 % Impacto Charpy a -30 o Joules E (70,000) 400 (50,000) E (80,000) * El depósito del electrodo de acero inoxidable tiene una mayor resistencia a la tensión y también un mayor porcentaje de elongación. ii) Intensidad de Corriente Eléctrica (amperaje). Clasificación Diámetro in (mm) Amperaje 3 E /8 (3) E /8 (3) Para soldar con el electrodo E se requiere en general un menor rango de amperaje, lo cual generará una menor cantidad de calor en la unión y por lo tanto tendrá una reducida afectación en su microestructura y en la zona afectada por el calor. Página 21 de 28

23 Efecto físico en la soldadura. LADO 1 LADO 2 En la pieza soldada con electrodo de la serie 300 (inoxidable) se observa una mayor facilidad en la aplicación y en la limpieza, se observa de igual manera un cordón uniforme. El cordón muestra una multicoloración al terminar, debido al exceso en la entrada de calor que presenta (dicha coloración se muestra en el segundo cordón) la coloración fue en decremento con el paso de los días. En el lado 1, la soldadura es uniforme y dentro de especificaciones (refuerzo de 3 mm y ancho de la soldadura de 7 mm), pero muestra una grieta longitudinal en el centro del cordón de soldadura, la cual la hace rechazable. En el lado 2, el cordón quedo hundido, debajo de la superficie de las placas, por lo que no se pudo medir ni el refuerzo, ni el ancho de la soldadura, no presentando socavados relevantes. UNIÓN EN PIEZA 4. Variable Esencial: UN CAMBIO EN EL DIÁMETRO NOMINAL DEL ELECTRODO POR MÁS DE 1/32 (0.8 mm). Modificación Realizada. En lugar de utilizar el electrodo E-7018 con diámetro de 1/8 (3 mm), se utilizó un electrodo E-7018 con diámetro de 3/16 (4.7 mm). Análisis Previo (teórico) de la modificación. De la abertura de raíz y del tipo de penetración que se busca lograr en la soldadura, depende el diámetro del electrodo a utilizar y a partir de éste, al menos en el proceso de soldadura SMAW, se selecciona la intensidad de corriente (amperaje) a utilizar. Razones por las que se considera como variable esencial. i) Diámetro y Amperaje. Clasificación Diámetro in (mm) Amperaje E /8 (3) E /16 (4.7) El utilizar un electrodo de mayor diámetro al especificado en el WPS, dará lugar a tener que aumentar el amperaje y con ello la cantidad de calor que se aporta al material base, tanto que incluso en lugar de soldarlo se podrá fundir, sobre todo cuando el espesor de éste es reducido. Página 22 de 28

24 ii) Diámetro y Abertura de Raíz. Si se utiliza un electrodo con un diámetro mayor a la abertura de raíz de la unión, se provocará que el cordón se deposite sólo superficialmente, sin que penetre en la ranura, teniendo entonces una sección transversal de la soldadura muy reducida, la cual está en relación directa con la resistencia a la tensión, quedando ésta en valores muy bajos. Efecto físico en la soldadura. LADO 2 LADO 1 La pieza soldada con un electrodo de diámetro 3/16 fue muy difícil la aplicación del primer cordón dejando espacios sin depositar material, el avance tuvo que ser muy rápido para evitar una mayor entrada de calor y terminar fundiendo el material por completo. Hay presencia excesiva de chisporroteo. En el lado 1, la soldadura presenta un refuerzo aceptable de 2 mm, pero el ancho de la soldadura fue de 10 mm, mayor a los obtenidos en las uniones anteriores. Las soldaduras presentan cráteres demasiado largos. En el lado 2 se tiene un refuerzo de 1mm y un ancho de la soldadura, también de 10 mm, en este lado, además se observan grandes chisporroteos y en algunas partes la soldadura no lleno, por lo que no puede ser considerada como aceptable la unión. UNIÓN EN PIEZA 5. Variable Esencial: UN CAMBIO EN EL AMPERAJE, CON RESPECTO AL VALOR RECOMENDADO POR EL FABRICANTE. Modificación Realizada. En lugar de usar un amperaje entre 90 y 140 amperes, se emplearon 160 amperes, para soldar con un electrodo E-7018 con diámetro de 1/8 (3 mm). Análisis Previo (teórico) de la modificación. La cantidad de calor en el arco eléctrico, durante la soldadura, en el proceso SMAW, es consecuencia de la cantidad de amperes que se selecciona en la máquina de soldar, previo a la aplicación de la soldadura. A mayor intensidad de corriente o amperaje, mayor la cantidad de calor, independientemente del diámetro del electrodo y del espesor de la pieza. Razones por las que se considera como variable esencial. El utilizar un amperaje menor al especificado en el WPS, puede ocasionar que no se pueda establecer el arco eléctrico, necesario para poder empezar a soldar, ya que continuamente se pegara el electrodo al metal base. Por el contrario, un amperaje por encima del valor especificado en el WPS dará lugar a aumentar de manera directa la cantidad de calor que se aporta al material base, tanto que incluso en lugar de soldarlo se podrá fundir, sobre todo cuando el espesor de éste es reducido. Página 23 de 28

25 Efecto físico en la soldadura. LADO 2 LADO 1 En la pieza soldada con un E-7018 con un aumento en el amperaje hasta 160 amperes, no fue posible aplicar un cordón uniforme, dejando un cordón con un refuerzo pequeño y una fusión total del material con el metal base. En el lado 1, la soldadura presenta un refuerzo promedio de 2 mm y un ancho de la soldadura de 10 mm, en algunas zonas el cordón presenta un refuerzo (altura de corona) de hasta 7 mm, debido al exceso de calor generado y el depósito en exceso del cordón en esas zonas, que se presenta en forma de glóbulos. En el lado 2, la soldadura se hundió, quedando debajo dela superficie de las placas que se unieron, por lo que no se pudo medir ni el refuerzo, ni el ancho de la soldadura en este lado. La unión, en general, presenta gran cantidad de chisporroteo, de diferentes dimensiones, además, se tiene una gran perforación, que hace que esta soldadura no pueda ser aprobada. UNIÓN EN PIEZA 6 Variable Esencial: UN CAMBIO EN LA POSICIÓN. Modificación Realizada. En lugar de depositar en posición plana (1G) el electrodo E-7018, con diámetro de 1/8 (3 mm), se deposito en posición vertical ascendente (3G). Análisis Previo (teórico) de la modificación. La posición en la que se suelda tiene que ver con la experiencia y habilidad de un soldador e incluso algunos electrodos para el proceso de soldadura están limitados en la o las posiciones en las que pueden aplicarse. Esto tiene que ver, sobre todo con el efecto que presenta la fuerza de gravedad en nuestro planeta, ya que al depositar un cordón sobre una placa vertical o incluso que está por encima de nosotros, tenderá a caerse si es que no se toman las previsiones necesarias y se aplica la técnica correcta para cada caso. Razones por las que se considera como variable esencial. Un soldador del proceso de soldadura SMAW, debe estar calificado en la posición que va a soldar, de lo contrario, al no tener la experiencia y la habilidad necesaria, su cordón será defectuoso y presentará fallas, como falta de fusión y otras que reducirán la sección transversal del cordón de soldadura, lo que redundará en una soldadura con una pobre resistencia a la tensión. A fin de evitar lo anterior, el código AWS D1.1 señala que un soldador queda calificado, demostrando tener la habilidad necesaria para soldar en distintas posiciones, de acuerdo a lo siguiente: Página 24 de 28

26 POSICIONES CALIFICADAS PARA WPS POSICIÓN EN PRUEBA DE POSICIÓN CALIFICADA 5 CALIFICACIÓN PLANA (1G) PLANA (1G) HORIZONTAL (2G) PLANA (1G) Y HORIZONTAL (2G) VERTICAL (3G) VERTICAL (3G) SOBRECABEZA (4G) SOBRECABEZA (4G) 5 La letra G aplica a Soldaduras de Ranura (Groove) y la letra F a Soldaduras de Filete (fillet). POSICIONES CALIFICADAS PARA SOLDADOR POSICIÓN EN PRUEBA DE POSICIÓN CALIFICADA 6 CALIFICACIÓN PLANA (1G) PLANA (1G, 1F) Y HORIZONTAL (2F) HORIZONTAL (2G) PLANA (1G, 1F) Y HORIZONTAL (2G, 2F) VERTICAL (3G) PLANA (1G, 1F), HORIZONTAL (2G, 2F) Y VERTICAL (3G, 3F) SOBRECABEZA (4G) PLANA (1G, 1F), HORIZONTAL (2F) Y SOBRECABEZA (4G, 4F) 6 La letra G aplica a Soldaduras de Ranura (Groove) y la letra F a Soldaduras de Filete (fillet). Efecto físico en la soldadura. LADO 2 LADO 1 En la pieza soldada con electrodo E-7018, en posición 3G ascendente, el cordón presenta mucha variación en sus dimensiones, el primer cordón presento una dificultad en la aplicación, fundiendo el material en su totalidad y dejando un exceso de penetración muy notable En la soldadura del lado 1, el refuerzo promedio fue de 4 mm (no aceptable), aunque en algunas secciones llegó hasta los 7 mm, y el ancho promedio del cordón fue de 5 mm. En el lado 2 el refuerzo promedio fue de 5 mm (no aceptable), aunque en algunas secciones llego hasta los 8 mm, y el ancho de la soldadura llego hasta los 9 mm, también se observa la presencia de socavados de hasta 3 mm de profundidad (no aceptable). Página 25 de 28

27 UNIÓN EN PIEZA 7 Variable Esencial: UNA DISMINUCIÓN EN LA ABERTURA DE RAÍZ Modificación Realizada. En lugar de soldar sobre una abertura de raíz de 1/8 (3 mm), se soldó con un electrodo E-7018 de 1/8 (3 mm), sobre una abertura de raíz de 3/32 (2.3 mm), en posición plana (1G). Análisis Previo (teórico) de la modificación. La abertura de raíz, en la junta, depende del espesor del material base a soldar, del proceso de soldadura a utilizar y del diámetro del material de aporte por aplicar. En general, entre mayor sea el espesor del metal base y el diámetro del material de aporte, mayor deberá ser la abertura de raíz, por lo que esta característica debe estar establecida en el WPS. Razones por las que se considera como variable esencial. Si la abertura de raíz se disminuye de tal manera que tenga una dimensión menor al diámetro del material base (electrodo), se provocará que el cordón se deposite sólo superficialmente, sin que penetre en la ranura, teniendo entonces una sección transversal de la soldadura muy reducida, la cual está en relación directa con la resistencia a la tensión, quedando ésta en valores muy bajos. Efecto físico en la soldadura. LADO 1 LADO 2 El cordón con abertura de raíz de 3/32 y electrodo E-7018 presento facilidad de depósito en ambos cordones, puesto que la abertura era menor al diámetro del electrodo utilizado. En ambos lados de la unión, el refuerzo promedio es de 2 mm y el ancho de la soldadura es de 7 mm, se observan socavados con una profundidad de socavado de 1 mm. Las características anteriores son aceptables, sólo que al haber una separación de raíz menor al diámetro del electrodo el material de soldadura tendrá muy poca penetración, es decir solo esta fundido con la superficie del metal base y esto reducirá la sección transversal efectiva que trabaja de la soldadura y consecuentemente la resistencia a la tensión que podrá soportar la unión soldada. Página 26 de 28

28 CONCLUSIONES El conocer los efectos que puede tener el hacer un cambio en una variable esencial en los trabajos de soldadura, nos debe hacer pensar que si no se analizan sus consecuencias, se pueden variar las propiedades mecánicas de la soldadura y con ello el trabajo que desarrolla puede ser muy pobre, tanto que incluso podría provocar que ésta se rompiera y provocara daños irreparables tanto al conjunto estructural en donde esta aplicada, cómo a las personas que simplemente estuvieran cerca de ella, al momento de la falla. Habría que estar conscientes que estos cambios se pueden realizar no por mala voluntad al aplicar las soldaduras, sino que por ejemplo, no se disponga en el momento del electrodo especificado y se utilice el que se tiene a la mano, a fin de terminar un trabajo por no distraer al jefe inmediato superior o incluso por no existir una comunicación adecuada con éste. Lo que se tendría que hacer, es capacitar adecuadamente a los soldadores y a sus supervisores sobre los efectos que dichas modificaciones traerían consigo, recalcando la importancia de seguir al pie de la letra las instrucciones que se les proporcionan y que en caso de que en la práctica, éstas no se puedan seguir, por ejemplo tal y como lo señala un WPS, en lugar de tratar de dar una solución inmediata con lo que se tiene o con lo que se cree resolverá adecuadamente el problema, se informe al personal responsable para que analice la situación y tome la mejor decisión. Página 27 de 28

29 BIBLIOGRAFÍA AWS D1.1:2004 Structural Welding Code-Steel ANSI/AWS A Specification for Carbon Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. ANSI/AWS A Specification for Stainless Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. ANSI/AWS A Specification for Low-Alloy Steel Electrodes for Shielded Metal Arc Welding. CIBERGRAFÍA Página 28 de 28