ESPECIFICACION DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURAS W.P.S. SEGUN CODIGO D1.1-2008 A.N.S.I./A.W.S. Preparado por: Ing. William José Mendoza
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CAPITULO I LAS ESPECIFICACIONES DE LOS PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA SON EXPLICADOS PARA AYUDAR A LOS INGENIEROS DE DISEÑO DE ACUERDO CON EL CÓDIGO DE SOLDADURA ESTRUCTURAL EN ACERO D1.1-2008 ANSI / AWS.
I.1.- LO QUE TODO INGENIERO DEBE CONOCER ACERCA DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURAS.
La especificación de procedimiento de soldadura (W.P.S) significa la combinación de las variables usadas para realizar cierta soldadura. Los términos “procedimiento de soldadura”, o procedimiento también se pueden usar.
Como mínimo, la W.P.S depende del proceso, especificación, clasificación y diámetro del electrodo; características eléctricas, especificación del metal base; temperatura mínima de precalentamiento entre pasadas; corriente de soldadura; voltaje del arco, velocidad de avance; posición de la soldadura; tratamiento térmico post soldadura, velocidad de flujo y tipo de gas de protección y detalles del diseño de la junta.
I.2.- EFECTOS DE LAS VARIABLES DE SOLDADURAS
Los efectos de las variables son algo dependiente del proceso de soldadura que se usa, pero generalmente tiende a aplicar a todos los procesos. Es importante distinguir entre corrientes constantes (cc) y voltaje constante (cv) en los sistemas eléctricos de soldaduras. En la soldadura por arco con electrodos revestidos S.M.A.W- siempre se realiza con sistemas de corrientes continuas. La soldadura 286
por arco con electrodo tubular – F.C.A.W- y la soldadura al arco con metal y protección de gas – G.M.A.W- generalmente son desarrolladas con sistemas de voltaje constante. La soldadura por arco sumergido – S.A.W- puede utilizar ambos.
AMPERAJE: es una medida de la cantidad de corriente que fluye a través del electrodo y la pieza a soldar. Es una variable primaria en el cálculo de la entrada de calor (H). Generalmente un aumento en el amperaje significa mayor velocidad de deposición, penetración más profunda y más dilución. El amperaje puede ser medido con un amperímetro o un reóstato (derivación eléctrica). El rol del amperaje es mejor comprendido en el contexto de las consideraciones de la entrada de calor y la densidad de corriente. Para soldaduras con voltaje constante, un aumento en la velocidad de alimentación del alambre directamente aumentara el amperaje. Para el proceso de S.M.A.W. con corriente constante, el selector de la maquina determina el amperaje básico, aunque cambie con la longitud del arco (controlada por el soldador) cambiará el amperaje. Mayores longitudes de arco reduce el amperaje.
VOLTAJE DEL ARCO: está directamente relacionado con la longitud del arco. Cuando la longitud del arco aumenta el voltaje aumenta, así como lo demanda la protección del arco. Para soldaduras de voltaje constante, el voltaje es inicialmente determinado por el selector de la maquina, así la longitud del arco es relativamente fija. Para el proceso de S.M.A.W en sistema con corriente constante el voltaje del arco se determina por la longitud del arco el cual es manipulado por el soldador. Cuando las longitudes del arco son incrementadas en el proceso S.M.A.W. el voltaje del arco aumenta y el amperaje disminuye y cuando las longitudes del arco disminuyen el voltaje del arco disminuye y el amperaje aumenta. El voltaje del arco también controla el ancho del cordón de la soldadura, con voltajes mayores se generan cordones de soldaduras más anchos. El voltaje del arco tiene un efecto directo en el cálculo de la entrada de calor (H).
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El voltaje en un circuito de soldadura no es constante, pero se compone de una serie de caídas de voltajes. Por ejemplo, asuma que una fuente de energía suministra un voltaje total al sistema de 40 Voltios. Entre la fuente de energía y la pinza de soldar existe una caída de voltaje de tal vez de 3V asociado con la entrada de la resistencia del cable desde el punto de la conexión del cable de tierra al Terminal de la fuente de potencia, existe una caída de voltaje adicional de 7 Voltios, restando 3 y 7V de los 40V originales nos da 30V para el arco.
Sin embargo es importante que los voltajes usados para monitorear los procedimientos de soldadura se reconozcan aproximadamente cualquier pérdida en el circuito de soldadura. La forma mas precisa para determinar el voltaje del arco es midiendo la caída del voltaje entre el tubo de contacto y la pieza a soldar. Esto no es práctico para la soldadura semiautomática, así que el voltaje es típicamente desde un punto en el alimentador de alambre (donde se realiza la conexión de la pistola con el cable) a la pieza a soldar. Para el proceso de S.M.A.W. el voltaje no es usualmente monitoreado, dado que cambia constantemente y no puede ser controlado a excepción por el soldador.
VELOCIDAD DE AVANCE: se mide en pulgadas/min., es la velocidad a la cual el electrodo se desplaza con respecto a la junta. Las otras variables permanecen iguales, la velocidad de avance tiene un efecto inverso en la dimensión de los cordones de soldadura. Cuando la velocidad de avance aumenta el tamaño del cordón disminuye. La velocidad de avance es una variable clave en el conjunto de la entrada de calor, reduciendo la velocidad de avance aumenta la entrada de calor.
VELOCIDAD DE ALIMENTACIÓN DEL ALAMBRE (WFS): es una medida de velocidad a la cual el electrodo pasa a través de la pistola de soldar y es suministrado al arco, medido típicamente en pulgadas por minuto, la velocidad de
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deposición es directamente proporcional a la velocidad de alimentación del alambre, y relacionada directamente al amperaje.
Cuando todas las demás condiciones se mantienen constantes (por ejemplo; el mismo tipo de electrodo, diámetro y extensión y el voltaje del arco), un incremento en la velocidad de alimentación del alambre directamente conducirá a un aumento del amperaje. Para menores velocidades de alimentación de alambre, la relación de la velocidad de alimentación del alambre con respecto al amperaje es relativamente lineal y constante. Para velocidades de alimentación mayores, esta relación puede aumentar, resultando una velocidad de deposición mayor por amperio pero a expensas de la penetración.
La velocidad de alimentación del alambre (Wire feed speed, W.F.S) es el método preferido de los procedimientos de soldadura que mantienen los procesos de voltaje constante. La W.F.S puede ser ajustada independientemente, y medida directamente, indiferente de las otras condiciones de la soldadura. Es posible usar amperaje como una alternativa para la W.F.S., aunque el amperaje resultante para una W.F.S. dada puede variar, dependiendo de la polaridad diámetro del electrodo, tipo de electrodo y extensión del electrodo. Muchos códigos siguen reconociendo el amperaje como el método primario para la documentación de los procedimientos. El código D1.1 permite el uso del control de la W.F.S en vez del amperaje proporcionando una tabla que relaciona al amperaje con la velocidad de alimentación del alambre la cual es disponible para la comparación.
Las hojas de especificación suministradas por el fabricante de los metales de relleno proveen datos de estas relaciones.
EXTENSIÓN DEL ELECTRODO (ESO): Es la distancia desde el tubo de contacto hasta el extremo del electrodo. Esto solo se adapta a los sistemas de soldaduras que usan sistemas automáticos de alimentación del alambre. Cuando la extensión del electrodo aumenta en sistema de voltaje constante, la resistencia 289
eléctrica del electrodo aumenta, causando que el electrodo se caliente. Esto se conoce como calentamiento por resistencia, o “I2 R heating”. Cuando la cantidad de calentamiento aumenta, la energía requerida del arco para fundir el electrodo disminuye y la deposición aumenta. Cuando la extensión del electrodo es aumentada sin ningún cambio en la W.F.S; el amperaje diminuirá. Esto origina menor penetración y menor dilución. Con el aumento de la extensión del electrodo, es común aumentar el voltaje de la maquina, regulando para compensar las caídas de voltajes mayores que atraviesan el electrodo.
En sistemas de voltajes constantes, es posible aumentar simultáneamente tanto la extensión del electrodo y la velocidad de alimentación del alambre y mantener la corriente constante. Esto produce velocidades de deposición mayores. Otras variables de soldaduras tales como voltaje y velocidad de avance pueden ser ajustadas para mantener un arco estable y para asegurar una soldadura de calidad. La extensión variable del electrodo debe estar siempre dentro del manejo recomendado por el fabricante.
DIÁMETRO DEL ELECTRODO: Es otra variable crítica. Electrodos con diámetros mayores transportan mayores corrientes de soldadura. Para un amperaje fijo, sin embargo, los electrodos de diámetros menores producen mayores velocidades de deposición.
POLARIDAD: Es la dirección del flujo de corriente. Polaridad positiva se logra cuando el cable del electrodo o pinza porta-electrodo se conecta al Terminal o polo positivo en maquinas de corriente directa (DC). La polaridad negativa ocurre cuando el cable de la pieza a soldar se conecta al Terminal o polo positivo y el cable de la pinza porta-electrodo al Terminal negativo. Cuando se usa corriente alterna (A.C.) no se mantiene la polaridad dado que el electrodo es alternativamente positivo en medio ciclo de la onda y negativo en la otra media onda.
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El proceso por arco sumergido S.A.W es el único proceso que comúnmente usa polaridad negativa o positiva para el mismo tipo de electrodo. La corriente alterna también puede ser usada.
Para una W.F.S fija, un electrodo por arco sumergido S.A.W requiere más amperaje con polaridad positiva que con negativa. La corriente alterna muestra ambas características de las polaridades negativas y positivas.
El campo magnético que rodea cualquier conductor de corriente directa (DC) puede causar un fenómeno conocido como soplo de arco, donde el arco es físicamente desviado. El problema es mayor para corrientes más altas. La corriente alterna es menos propensa al soplo del arco y se usa algunas veces para corregir este fenómeno.
ENTRADA DE CALOR: Es proporcional al amperaje de la soldadura, multiplicado por el voltaje del arco, dividido por la velocidad de avance. Mayores entradas de calor corresponden a áreas de sección transversal de soldaduras mayores, y zonas afectadas por el calor, (H.A.Z.) mayores, las cuales pueden afectar negativamente las propiedades mecánicas en esa región. Entrada de calor mayor generalmente causa una disminución leve en la resistencia a la fluencia y a la tracción en el metal de la soldadura, y generalmente menor tenacidad debido a la interacción del tamaño del cordón y la entrada de calor.
DENSIDAD DE CORRIENTE: Se determina dividiendo la intensidad de la corriente de soldadura entre el área de la sección transversal del electrodo. Para electrodos sólidos, la densidad de la corriente es proporcional a I/d2. Para electrodos tubulares, donde la corriente es conducida por la envoltura tubular metálica, y es relacionada al área de la sección transversal metálica. Cuando la densidad de corriente aumenta, la velocidad de deposición
y la penetración
aumenta. Esto es llevado a cabo por el aumento del amperaje o disminución del
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tamaño del electrodo. Una pequeña disminución en el diámetro afecta significativamente la velocidad de deposición y la penetración.
TEMPERATURA DE PRECALENTAMIENTO Y ENTRE PASADAS: Se usa para controlar las tendencias al agrietamiento, típicamente en el metal base. Para la mayoría de los aceros al carbono-magnesio-silicio, una temperatura entre pasadas moderada facilita buena resistencia a la tenacidad. Las temperaturas de precalentamiento y entre pases mayores de 550 ºF pueden afectar negativamente la tenacidad. Cuando el metal base recibe poco o nada de precalentamiento, el enfriamiento rápido resultante puede conducir al deterioro de la tenacidad. El control cuidadoso de la temperatura de precalentamiento entre pases es crítico.
I.3.-
PROPÓSITO
DE
LAS
ESPECIFICACIONES
DE
PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURAS.
Los valores particulares para las variables discutidas antes tienen un efecto significante en la calidad de la soldadura, propiedades mecánicas y la productividad. Es sin embargo, crítico que aquellos valores de procedimientos usados en la fabricación y montaje sean apropiados para los requerimientos específicos del código aplicable y las especificaciones del trabajo. Muchos puntos deben ser considerados cuando se seleccionan los valores de los procedimientos de soldaduras. Mientras todas las soldaduras deben alcanzar la fusión para asegurar su resistencia, el nivel requerido de penetración es una función del diseño de la junta en el tipo de soldadura. Todas las soldaduras son requeridas para entregar una cierta resistencia a la tracción y/o fluencia. No todas las soldaduras son requeridas para entregar niveles mínimos específicos de tenacidad. Los niveles aceptados de socavación y porosidad son una función del tipo de carga aplicada a la soldadura. Los medios más eficientes para presentar estas condiciones pueden determinarse por técnicos de soldaduras expertos e ingenieros quienes producen especificación de procedimientos de soldaduras escritos y comunican aquellos requerimientos a los soldadores por medio de estos documentos. La W.P.S es la 292
herramienta primaria usada para comunicar al soldador, supervisor e inspector como una soldadura específica debe realizarse. La conveniencia de una soldadura realizada por un soldador diestro de acuerdo con los requerimientos de una W.P.S solo puede ser tan buena como la W.P.S. misma.
La habilidad de un soldador para seguir las instrucciones en una W.P.S escrita es determinada por los ensayos de la calificación del soldador (D1.1- 2008, parágrafo C-4.1.2) pag. 455. El soldador no debe conocer como o porque cada variable en particular fue seleccionada, aunque estos valores deben ser usados en la producción de la soldadura. El inspector es requerido para asegurar que toda la soldadura se realiza de acuerdo con la W.P.S., observando la técnica de cada soldador en un periodo básico (D1.1-2008, parágrafo 6.5.2) pag. 214.
El código de soldadura estructural en acero requiere procedimientos de soldaduras escritos para toda la fabricación ejecutada. Estas W.P.S. requieren que sean por escrito, indiferente de que estén precalificadas o calificadas mediante ensayos. Cada constructor o fabricante es responsable del desarrollo de las W.P.S. aparentemente aun existe confusión acerca de este asunto. Un concepto falso predominante es que si los parámetros actuales bajo el cual la soldadura será desarrollada presentan todas las condiciones de estatus “precalificado”, las W.P.S escritas no son requeridas. Esto no es cierto.
Las W.P.S son los medios primarios de comunicación para todas las partes involucradas. Por consiguiente deben estar
disponibles para los capataces,
inspectores y soldadores. Existen muchas maneras para suministrarlas, pero indiferentemente del método, las W.P.S. deben estar disponibles para aquellas personas autorizados para utilizarlas.
En consideración a calidad y productividad, es la mejor intención del contratista asegurar que se mantenga comunicación eficiente con todas las partes involucradas. En cuanto a calidad, los limites de la operación apropiada del 293
proceso de soldadura en particular y el electrodo para el acero, diseño de junta y posición de la soldadura debe ser comprendido. Obviamente el electrodo en particular empleado para operar con la polaridad apropiada, uso apropiado de gases de protección y mantener los niveles de amperaje apropiados para el diámetro del electrodo y para el espesor del material sobre el cual la soldadura se va a desarrollar. Otro asunto que no puede ser tan obvio, por ejemplo, el precalentamiento requerido para una aplicación en particular es una función de los grados del acero involucrado, los espesores del material y el tipo de electrodo empleado (con bajo hidrogeno o no). Todo esto puede ser comunicado por escrito por medio de la W.P.S.
La falta de conformidad con los parámetros trazados en la W.P.S. puede resultar en una soldadura que no presenta los requerimientos de calidad impuestos por el código o las especificaciones del trabajo.
Para evitar actividades innecesarias tales como la remoción y reemplazo de una soldadura inaceptable, by clear communication has obvious quality and economic ramifications.
Existen otros factores económicos a considerar también en una manera más general, el costo de la soldadura es inversamente proporcional a la velocidad de deposición. La velocidad de deposición en cambio está directamente vinculada a W.F.S. de la soldadura semiautomática.
Si es aceptable por ejemplo realizar una soldadura dada con una W.F.S. de 200pulg / min., por tanto una soldadura hecha a 160 pulg / min. (La cual puede presentar todos los requerimientos de calidad) costaría aproximadamente 25% más que la soldadura realizada con procedimiento optimo. De acuerdo con los valores la W.P.S. ayudan a asegurar la calidad de la soldadura y la construcción económica.
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De acuerdo con los requerimientos mínimos del código no puede ser adecuado, y los requerimientos adicionales, tales como impuestos por un contrato, pueden ser comunicados a través de la W.P.S. Por ejemplo, el código D1.1-2008 permite el uso de un E71T-11 F.C.A.W. para soldaduras de pasadas múltiples sin ninguna restricción en el espesor de la plancha. El electrodo E71T-11 de la Lincoln Electric tiene un máximo de restricción de un espesor impuesto por el fabricante de ½ pulgadas (12,7mm). Este requerimiento adicional puede ser incorporado en la aplicación de la W.P.S. Otras recomendaciones que pueden ser impuestas por el fabricante del acero, fabricante del electrodo u otros pueden y deberían ser documentados en la W.P.S.
I.4.-
ESPECIFICACIONES
DE
PROCEDIMIENTOS
DE
SOLDADURA PRECALIFICADO. El código D1.1 AWS permite el uso de W.P.S precalificado. Las W.P.S precalificadas son aquellas que el comité del D1.1 AWS ha determinado que tiene una historia de ejecución aceptable, y no están sometidas a una calificación impuesta por otros procedimientos de soldadura. El uso de W.P.S. precalificado no excluye los requerimientos en un formato escrito y que sean usados soldadores debidamente calificados. Todos los suministros de destrezas impuestos en la sección de fabricación del código aplican a las W.P.S. precalificadas. El único requerimiento del código que se exceptúa para la precalificación es el ensayo mecánico y no destructivo requerido para ensayo de calificación de procedimientos de soldaduras.
Los procedimientos de soldaduras precalificados deben estar de acuerdo con todos los requerimientos precalificados en el código. La falla se ajusta con una simple condición de precalificada que elimina la oportunidad para que el procedimiento de soldadura sea precalificado. A fin de que una W.P.S. sea precalificada, las siguientes condiciones deben ser conocidas:
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El proceso de soldadura debe ser precalificado. Solo S.M.A.W, S.A.W., G.M.A.W. y F.C.A.W. (excepto G.M.A.W-S) pueden ser precalificados (D1.12008, parágrafo 3.2.1) pag. 59. La combinación del metal base/relleno debe ser precalificado. Los metales base precalificados, metales de relleno y las combinaciones son mostrados en D1.12008, parágrafo 3.3 pag. 59, tabla 3.1 págs. 64, 65, 66, 67. El precalentamiento mínimo y temperatura entre pasadas preescrito en D1.12008, parágrafo 3.5 pag. 60, tabla 3.2 pag. 68 debe ser empleado. Requerimientos específicos para varios tipos de soldaduras debe mantenerse. Las soldaduras de filetes deben ser de acuerdo con D1.1-2008 parágrafo 3.9, pag. 61 Las soldaduras de tapón y acanaladas de acuerdo con D1.1-2008 parágrafo 3.10 pag. 61, Para soldaduras de ranuras, si la penetración de la junta es parcial o completa, las dimensiones requeridas se muestran en D1.12008, parágrafo 3.11 pag. 61.
Aun si los detalles de juntas precalificados son empleados, el procedimiento de soldadura debe ser calificado mediante ensayos si otras condiciones precalificadas no se conocen. Por ejemplo, si un detalle precalificado es usado en un acero que no figure en ninguna lista, los procedimientos deben ser calificados mediante ensayos. El estatus de precalificado requiere estar de acuerdo a una variedad de parámetros procedimentales ampliamente contenido en D1.1-2008, tabla 3.7 pag. 73, incluyendo diámetros máximos de electrodos, corriente de soldadura, espesor del pase de raíz, espesor del pase de relleno, tamaño de la soldadura de filete pasada simple y capas de soldadura pasada simple. En adición a los requerimientos precedentes, la soldadura desarrollada con W.P.S. precalificada debe estar de acuerdo con las otras provisiones del código contenido en la sección de fabricación de D1.1-2008, pag. 191. El código no supone que una W.P.S. automáticamente alcanzará las condiciones de calidad requeridas por el código. Es responsabilidad del contratista asegurar
que
los
parámetros
particulares
relacionados
dentro
de
los
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requerimientos de W.P.S. precalificados son apropiados para la aplicación específica.
Considere una W.P.S. hipotética para realizar una soldadura de filete de ¼”de pulgada (6,35mm) en un acero A36 de 3/8” de espesor en posición plana. El tipo de soldadura y el acero son precalificados. Se selecciona el proceso de soldadura por arco sumergido S.A.W. precalificado. El metal de relleno seleccionado es F7A2-EM 12K, presentando los requerimientos del D1.1-2008, tabla 3.1 pag. 64. No se especifica precalentamiento ya que no sería requerido de acuerdo al D1.1-2008, tabla 3.2 pag. 68. El diámetro del electrodo seleccionado es 3/32” pulgadas (2,38mm), menor que ¼” al máximo especificado en D1.1-2008, tabla 3.7 pag. 73. El máximo tamaño de la soldadura de filete pasada simple en la posición plana, de acuerdo a D1.1-2008, tabla 3.7 pag. 73, es ilimitado, así que el tamaño de filete de ¼” puede ser calificado. El nivel de corriente seleccionado para hacer esta soldadura de filete en particular es de 800 amp, menor que los 1000 amp. al máximo especificado en D1.1-2008, tabla 3.7 pag. 73. Sin embargo, el nivel de amperaje impuesto en el diámetro del electrodo para el espesor del acero sobre el cual se va a realizar no presentaría los requerimientos del D1.1-2008, parágrafo 5.3.1.2 pag. 191. Esto muestra que de acuerdo con todas las condiciones precalificadas no garantizan que las combinaciones de las variables seleccionadas generaran siempre una soldadura aceptable.
Es responsabilidad del contratista verificar las conveniencias de los parámetros sugeridos antes de que el soldador aplique el procedimiento actual en un proyecto, aunque el ensayo de comprobación no necesita ser sometido a un cambio pleno de los ensayos de calificación de procedimientos impuestos por el código.
Los ensayos típicos serán realizados para determinar la calidad del depósito de la soldadura (fusión, libre de inclusiones de escorias, unión de 297
cordones de soldaduras). La plancha podría ser examinada por ensayos no destructivos o como comúnmente se hace, cortada, pulida, y atacada con acido. Las soldaduras hechas con W.P.S. precalificadas que presentan requerimientos dimensionales físicos (tamaño de soldadura de filete, niveles máximos de refuerzos y requerimientos del perfil superficial) y dignas de confianza (fusión adecuada, y libre de excesivas inclusiones de escorias y porosidad) presentarían los requerimientos de resistencia y ductilidad impuestos por el código para procedimientos de soldaduras calificados mediante ensayos.
I.5.- GUÍA PARA PREPARAR
LA
ESPECIFICACIÓN
DE
PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURAS PRECALIFICADAS
Cuando se desarrolla W.P.S. precalificadas, el punto de inicio son unos parámetros apropiados de soldaduras para la aplicación a ser considerada. Los parámetros para soldadura sobre cabeza naturalmente variarán de aquellos requeridos para la posición plana. El espesor del material dispone el tamaño de los electrodos y correspondientes niveles de corrientes. Los metales de rellenos específicos seleccionados reflejarán los requerimientos de la resistencia de la junta. Muchos otros puntos deben ser considerados. Dependiendo del nivel de familiaridad y comodidad que el contratista tiene con los valores particulares seleccionados, un modelo de soldadura puede ser apropiado. Una vez que los parámetros son establecidos, es esencial inspeccionar cada uno de los parámetros que estén de acuerdo con el D1.1. El próximo paso es documentar por escrito, los valores de la W.P.S. el fabricante puede utilizar cualquier formato conveniente. Un formato de muestra es incluido en el anexo N del código D1.1-2008, pag. 348.
I.6.- PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURAS CALIFICADOS MEDIANTE ENSAYOS
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Existen dos razones primarias de el porque los procedimientos de soldadura pueden ser calificados mediante ensayos. En primer lugar, puede ser un requerimiento contractual. Segundo, una o mas condiciones específicas encontradas
en
la
producción
puede
desviarse
de
los
requerimientos
precalificados. En cada caso, un ensayo de soldadura puede ser hecho antes de establecer la W.P.S. final. El primer paso en la calificación de un procedimiento de soldadura mediante ensayos es determinar el procedimiento a calificar. Las mismas fuentes citadas para los puntos de inicio de las W.P.S. precalificadas podrían ser usadas para las W.P.S. calificadas mediante ensayos. En el caso más simple, las condiciones exactas que serán encontradas en producción serán repetidas en el ensayo de la calificación del procedimiento. Los parámetros para el ensayo de soldadura son registrados en un registro de calificación de procedimiento (P.Q.R.). Los valores actuales usados deben ser registrados en este documento.
El voltaje por ejemplo, puede ser de 30V, pero actualmente 29 Voltios fueron usados en la plancha. Los 29V deben ser registrados. Después que la plancha del ensayo es soldada y enfriada, es sometida a inspección visual y no destructiva como lo prescribe el código. La calificación de los ensayos son descritos en D1.1-2008 parágrafo 4.4, pag. 124.
Para que sean aceptables, las planchas del ensayos deben primero pasar la inspección visual seguida de examinación no destructiva (N.D.E.) (D1.1-2008, parágrafos 4.8.1, 4.8.2), pag. 125 y 126 respectivamente. Según la opción del contratista puede usarse ensayos radiográficos (R.T.) o ensayo por ultrasonido (U.T.).
Los ensayos mecánicos requeridos involucran ensayos de doblez (seguridad) macro-ataque (seguridad) y ensayos de tracción de sección reducida (resistencia). Para la calificación de procedimientos en acero con propiedades 299
mecánicas significativamente diferente, es aceptable una muestra de doblez longitudinal (D1.1-2008, parágrafo 4.8.3.2), pag. 126. Todos los ensayos de tracción del metal de la soldadura son requeridos para metales de relleno que no figuran en ninguna lista.
La naturaleza de las muestras de doblez es una función del espesor del acero involucrado. El número y tipo de ensayos requeridos están definidos en D1.1-2008, tablas 4.2, págs. 137 y 138, y tablas 4.3 y 4.4, pag. 139. Una vez que el numero de ensayos son determinados, la plancha de ensayo es seccionada y las muestras maquinadas para el ensayo. Los resultados de los ensayos son registrados en el P.Q.R. de acuerdo con el código D1.2008, si los resultados del ensayo presentan todos los requerimientos prescritos, el ensayo es exitoso y los procedimientos de soldadura pueden estar soportados por un P.Q.R exitoso. Si los resultados del ensayo son desafortunados, el P.Q.R no puede ser usado para respaldar la W.P.S. Es importante conservar los P.Q.R de los ensayos exitosos, ya que pueden ser valiosos en el futuro cuando otro procedimiento de soldadura similar sea contemplado para el ensayo. El criterio de aceptación para varios ensayos está preescrito en el Código. Los limites específicos en el tamaño, ubicación, distribución y tipo de indicación de las muestras de doblez están preescritos en D1.1-2008, parágrafo 4.8.3.3, pag. 126.
I.7.- ESCRITURA DE LAS W.P.S DE PQR EXITOSOS
Cuando los ensayos requeridos son exitosos, los procedimientos de soldaduras pueden ser escritos del P.Q.R. los valores registrados en el P.Q.R. son transcritos en un formato separado, ahora conocido como W.P.S.
Es posible escribir una o más W.P.S de un P.Q.R. exitoso. Los procedimientos de soldaduras que son lo suficientemente similar para aquellos
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ensayados pueden ser soportados por el mismo P.Q.R. variaciones importantes de aquellas condiciones, sin embargo requiere calificación adicional del ensayo.
Cambios lo suficientemente significativos para garantizar ensayos adicionales (recalificación) son considerados variables esenciales, y estas aparecen en D1.1-2008, tablas 4.5, págs. 140,141 y 142 y tabla 4.6, pag. 143 y tabla 4.7 págs. 144 y 145.
Por ejemplo, considere un procedimiento calificado S.M.A.W. mediante ensayo usando un E-8018-C3 de ese ensayo es posible escribir una W.P.S. que use E-7018 (ya que existe una disminución de la resistencia del electrodo); pero no sería admisible escribir una W.P.S que use un E-9018-G.
El rango de los tipos de soldaduras y las posiciones calificadas por varios ensayos listados en D1.1-2008, tabla 4.10, pag. 147. Esta es la mejor tabla usada, no tanto como un hecho después de la evaluación de la aplicabilidad de los ensayos ya realizados, pero si para la planificación de los ensayos de calificación.
Por ejemplo, una plancha de ensayo conducida en la posición 2G califica la W.P.S. para usarse en cada posición 1G y 2G. Aun cuando el primer uso anticipado de la W.P.S. puede ser para la posición 1G, puede ser aconsejable calificar en la posición 2G para obtener uso adicional de esta plancha de ensayo.
Similarmente, D1.1-2008, tabla 4.7, págs. 144 y 145 define que los cambios pueden ser realizados en los metales base usados en producción vs. Ensayos de calificación. Un acero alterno puede ser seleccionado para el ensayo de calificación debido al esfuerzo de flexibilidad adicional para aplicaciones futuras. Si la calificación de la W.P.S desarrollada en una geometría de la junta no precalificada comprueba que es aceptable, las W.P.S. pueden escribirse de ese P.Q.R. utilizando cualquiera de las geometrías de juntas precalificadas (D1.12008, tabla 4.5, item 32), págs. 140, 141 y 142. 301
I.8.-
EJEMPLOS
DE
ESPECIFICACIONES
DE
PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURAS - W.P.S. –
Los dos ejemplos dados anteriormente muestras que las condiciones de las aplicaciones específicas disponen el desarrollo de la W.P.S. separadas para cada situación. SITUACIÓN UNO. Una soldadura de filete de cateto (leg) 5/16” conecta una “SHEAR TAB” a una columna. Esta soldadura será realizada en el taller con la columna en la posición horizontal. La soldadura de filete es aplicada a ambos lados de una “Shear Tab” de ½”, la cual es soldada a una columna W14x311 con una base de 2¼”. La “Shear Tab” se hace con un acero A36, mientras la columna es de A572 Gr50. El ingeniero en soldadura reconoce que por los grados de los aceros involucrados y por el tipo de soldadura especificada se podría escribir una W.P.S. precalificada. El proceso seleccionado es soldadura al arco con electrodo tubular protegido con gas F.C.A.W- GS. Un proceso de soldadura precalificado. De la tabla 3.1, págs. 64, 65, 66, 67 del código D1.1-2008, una lista de metales de relleno precalificado es suministrada. Un electrodo E70T-1 es seleccionado debido a uso económico, velocidad de deposición y mínimo tiempo de limpieza. El electrodo opera con corriente directa DC y polaridad positiva EP. De la experiencia del ingeniero el sabe que un diámetro del electrodo de 3/32” es apropiado para la aplicación, y especifica que el gas de protección sería CO2 sobre la recomendación del fabricante del electrodo y de su bajo costo. De la tabla 3.2, págs. 68, 69, 70 del código D1.1-2008, se selecciona el precalentamiento. Es controlado por el espesor del acero, que es la base de la columna y el precalentamiento mínimo requerido debe ser de 150 ºF (65,56 ºC) dado que el espesor de la base de la columna es de 2 ¼”. De las recomendaciones del fabricante de electrodo, se selecciona 460 amperios y 31 voltios. Basado en la experiencia, se usa una velocidad de soldadura de
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aproximadamente 15-17 pulg/min. Si existe alguna duda, se ensaya una soldadura de filete para verificar la velocidad de avance para un amperaje dado.
SITUACIÓN DOS. La segunda soldadura es también una soldadura de filete de 5/16” pero será realizada en el campo entre la “Shear Tab” descrita anteriormente y el alma de la viga. La viga es W36x150, de acero A36. La soldadura debe ser hecha en posición vertical.
El ingeniero en soldadura reconoce que la W.P.S. para esta aplicación podría ser precalificada si todas las condiciones aplicables son conocidas. El proceso de soldadura al arco con electrodo tubular (F.C.A.W) es seleccionado para asegurar soldaduras de calidad bajo condiciones expuestas al viento. En el código D1.1-2008, tabla 3.1, pags. 64, 65, 66, 67 el ingeniero ubica el metal de relleno apropiado y selecciona un electrodo tubular con fundente interno E71T-8, el cual opera con corriente directa, polaridad negativa.
Debido a que la soldadura es en posición vertical, se especifica un electrodo de diámetro de 0,068” (1,73mm). Se selecciona un rango medio apropiado para el procedimiento de la soldadura en posición vertical, se especifican los parámetros de 250 amperios 19-21 voltios y una velocidad de avance de 5,5 - 6,5 pulg/min. La variable que controla es el espesor del alma de la viga, la cual es de 5/8” (15,88mm). En esta situación la tabla 3.2, págs. 68, 69, 70 del código D1.1-2008 no requiere ningún precalentamiento mínimo.
Las dos soldaduras son extraordinariamente similares, aun así los valores de la W.P.S. especificados son significativamente diferentes. Para asegurar que la calidad de las soldaduras suministradas sea un tanto económica, es imperativo que un conocedor individual establezca los valores de la W.P.S y deban ser cumplidas durante la fabricación y montaje.
303
I.9.- REVISIÓN Y APROBACIÓN DE LAS W.P.S.
Después que una W.P.S es desarrollada por el constructor, el inspector debe verificar que todas las W.P.S. han sido aprobadas por el ingeniero (A.W.S. D1.1-2008, parágrafo 6.3.1 y 6.3.2, pag. 214). Esto aplica si la W.P.S ha sido calificada por ensayos para ser conformadas por el ingeniero para su aprobación (D1.1-2008, parágrafo 4.1.1) pag.123.
I.10.- APROBACIÓN DE LAS W.P.S. PRECALIFICADAS.
Las W.P.S precalificadas son necesarias que sean revisadas por el inspector. Los procedimientos de soldaduras calificados mediante ensayos, a excepción de una W.P.S precalificada, son necesarias que sean revisadas por el ingeniero (D1.1-2008, parágrafo 4.1.1, pag. 123.). Sin embargo, el uso de una junta precalificada no exceptúa al ingeniero del uso de su criterio de ingeniero en la determinación de la conveniencia de la aplicación para estas juntas (D1.1-2008, parágrafo 3.1, pag. 59).
El código es claro en que el inspector es necesario para inspeccionar todas las W.P.S. Para W.P.S precalificadas, La revisión requerida por el inspector no exige específicamente una determinación en cuanto a la conveniencia del procedimiento para la aplicación en particular, pero más bien necesita que el procedimiento se ajuste a los requerimientos del código. Como se estableció anteriormente, el ingeniero no esta exceptuado de ejercitar un criterio de ingeniería cuando se usan detalles de juntas precalificadas.
I.11.- REVISIÓN Y APROBACIÓN DE LA W.P.S. CALIFICADAS MEDIANTE ENSAYOS.
304
El código exige que el inspector revise todas las W.P.S. calificadas mediante ensayos y también exige la aprobación del ingeniero. La lógica detrás de estas aproximaciones de aprobación es que mientras las W.P.S. precalificadas están basadas sobre practicas de soldaduras documentadas, bien establecidas y comprobadas por largo tiempo, las W.P.S calificadas mediante ensayos pueden utilizar nuevos, conceptos controversiales y algunas veces no comprobados. Las W.P.S calificadas mediante ensayos no están automáticamente sometidas a las mismas restricciones que pudieran aplicar a las W.P.S precalificadas.
Aun cuando los ensayos de calificación requeridos han demostrados la adecuación de las W.P.S particular bajo condiciones de ensayos mas allá del examen hecho por el ingeniero es justificado para asegurar que es aplicable para la situación particular encontrada en producción.
Dos ejemplos abajo muestran las diferencias filosóficas que un ingeniero en soldadura puede sufrir cuando evalúa una W.P.S calificada por ensayos.
SITUACIÓN UNO. Un contratista desea usar una W.P.S que por lo demás seria precalificada, a excepción por un cambio en el detalle de la junta. Basado en la experiencia y algunos ensayos informales, el contratista ha determinado que un detalle de ranura modificado reducirá el volumen requerido del metal de la soldadura sin afectar la calidad. El detalle de la junta es similar a una B-U2-GF, fig. 3.4 pag.92 excepto que la abertura de la raíz y ángulos de la ranura se desvían de los requerimientos precalificados mostrados en D1.1-2008. Específicamente, la combinación de una abertura de raíz de 1/8” (3,17mm) con un ángulo incluido de 45º cuando se aplica a una plancha de ½” de espesor suministra una configuración aproximadamente optima para el procedimiento de este contratista que utiliza el proceso F.C.A.W-G.
Dado que estos cambios dimensionales van más allá de los límites permitidos por las tolerancias del detalle para la junta especifica, puede ser 305
calificado mediante ensayos. El problema más probable con esta aproximación seria el problema de tipo de fusión. El ensayo de calificación necesario como se esboza en la tabla 4.2, pags. 137 y 138 requieren dos ensayos de tracción de sección reducida y cuatro ensayos de doblez de lado. Dos de estos ensayos el de doblez en particular, revelará rápidamente cualquier problema con la fusión. Una P.Q.R. por fortuna convencería al ingeniero quien es necesario para aprobar este procedimiento.
SITUACIÓN DOS. Un acero nuevo esta contemplado para la construcción, y el productor del acero exige que pueda ser soldado con niveles de precalentamiento reducido. No puede ser precalificado debido a que el acero no esta precalificado, y los niveles de precalentamiento están por debajo de los límites precalificados. A fin de calificar el procedimiento para espesores ilimitados, D1.12008, tabla 4.2, pags. 137 y 138 necesitan que la plancha de ensayo sea de 1” (2,54cm) o más gruesa. El contratista califica el procedimiento de soldadura en un acero de 1”, aunque la aplicación actual utiliza un acero de 4” de espesor. La configuración de la junta actual usada para la calificación del ensayo es una junta a tope con ranura en V doble, soldadas por ambos lados.
La plancha del ensayo no es precalentada antes de la fabricación (aunque a temperatura ambiente) donde se desarrolla la calificación del ensayo es de 70ºF [21,1ºC]). Después que se aplica el primer pase de soldadura, la temperatura del acero aumenta muy por encima de la temperatura ambiente. Se aplica un segundo pase de soldadura al primer lado. De inmediato la plancha es invertida y el pase de raíz es sacado. Mientras la temperatura entre pasadas esta todavía por encima del ambiente, se suelda el segundo lado de la junta. Finalmente, la plancha es volteada una o más veces, y el primer lado de la junta se suelda hasta culminarlo.
La plancha de ensayo es sometida a todos los ensayos que rige el código, y afortunadamente satisface los requerimientos del código. El contratista presenta el
306
procedimiento al ingeniero para su aprobación, afirmando que estos ensayos han comprobados su soldabilidad del nuevo acero y que no requiere precalentamiento.
Mientras es cierto que los requerimientos regidos por el código fueron ejecutados, la conveniencia de este procedimiento de soldadura para la fabricación actual no fue establecida.
Las dimensiones relativamente pequeñas asociadas con la placa de ensayo (1” de espesor por 14” de ancho mínimo por 30” de longitud [2,54x35, 56x76, 2cm] de acuerdo al código D1.1-2008) no son suficiente para duplicar la restricción o velocidad de enfriamiento encontrada en la estructura. Estos resultados impactarán la micro estructura de la zona afectada por el calor (H.A.Z.), la velocidad de difusión del hidrogeno y los niveles de esfuerzos residuales – todos estos elementos afectan el agrietamiento de la soldadura. En adición, excepto el pase de raíz, todos los pases de soldadura tuvieron el beneficio de la temperatura entre pasadas más altas. Además, el pase de raíz hecho sin precalentamiento, fue sacado cuando el segundo lado era soldado. Aunque no fue aplicado precalentamiento, el acero que estaba en el taller a temperatura ambiente, efectivamente califica para una temperatura de precalentamiento de 70ºF. El ingeniero puede ver la segunda W.P.S. con un mayor grado de evaluación que la primera. Seria razonable exigir ensayos de soldabilidad a fin de comprender mejor el comportamiento probable de este procedimiento de soldadura propuesto. Una escala mayor de un modelo restringido seria necesario para evaluar la restricción actual y condiciones de enfriamiento.
Cuando las W.P.S calificadas mediante ensayos son revisadas, existen tres elementos distintos a revisar. Primero, el registro de calificación de procedimiento (P.Q.R.) es evaluado para asegurar que todos los ensayos requeridos fueron desarrollados, verificando que el espesor apropiado del material, posiciones de la soldadura y número de ensayos requeridos fueron desarrollados. 307
Segundo, los resultados de los ensayos son examinados para estar seguros que los requerimientos del código fueron cubiertos.
Finalmente la W.P.S se compara con el P.Q.R. Esto consiste en una comparación de los requerimientos del D1.1-2008, tabla 4.5, págs. 140, 141 y 142 así lo relaciona para cualquier diferencia entre el P.Q.R y la W.P.S. en cuanto a los requerimientos de los aceros usados en el ensayo versus aquellos listados en la W.P.S son indicados en D1.1-2008 tabla 4.6, págs. 143.
I.12.-
AYUDAS ANALÍTICAS BASADAS EN PROCEDIMIENTOS DE
SOLDADURAS
DOCUMENTADOS
QUE
SON
OFRECIDOS
A
LOS
INGENIEROS PARA EVALUAR LAS W.P.S.
Para proyectos de acero estructural, el código que típicamente rige es el D1.1 Structural Welding Code-steel y las especificaciones de procedimientos de soldaduras W.P.S.
que son la parte central para controlar la calidad de la
soldadura en estas aplicaciones. Aunque el contratista escribe la W.P.S como propósito primario para instruir al soldador. Es necesario que un ingeniero revise los datos para emitir algún comentario y su aprobación. Este informe contiene algunas herramientas para ayudar al ingeniero en este proceso. No es la intención de los autores proveer una lección exhaustiva sobre como revisar las W.P.S., sino más bien suministrar unas pocas nuevas herramientas analíticas para el uso de los críticos. Mientras se basan en el código A.W.S. D1.1, estas herramientas son también aplicables a otras situaciones de soldaduras. Estas herramientas están basadas en aproximadamente 270 procedimientos de soldaduras diferentes documentados (Ref. 2,3). Procedimientos que fueron incluidos para: S.M.A.W., G.M.A.W., F.C.A.W.-S, F.C.A.W.-G. y S.A.W. con electrodo simple, paralelo y múltiple. Esta base de datos es en general representativa de los procedimientos típicos de fabricación en acero estructural y fue usada para desarrollar las ecuaciones y los tópicos presentados aquí. 308
I.13.- ENTRADA DE CALOR Cuando se evalúan procedimientos de soldadura, tal vez el aspecto de mayor dificultad es determinar la combinación de amperaje, voltaje y velocidad de avance que será aceptable para una aplicación dada. Estas tres variables afectan directamente la entrada de calor, que es una medida de la cantidad de energía transferida durante el proceso de la soldadura. La entrada de calor se calcula como sigue:
H = 60 EI 1000 S
Donde;
E = Voltaje del arco,
(1)
I = corriente, S = velocidad de avance,
pulg. / min. (mm / min), H = entrada de calor, KJ / pulg. (KJ / m.m.). La entrada de calor usualmente es asociada con la relación de enfriamiento de la soldadura y la zona afectada por el calor (H.A.Z.), sin embargo, la entrada de calor es también directamente proporcional al tamaño de la sección transversal del cordón individual de soldadura.
Figura 1
309
La figura 1 muestra el tamaño del incremento de la soldadura de filete tanto como el incremento de la entrada de calor.
I .14.- TAMAÑO DE LA SOLDADURA DE FILETE
Basado entre la relación de la entrada de calor y el tamaño de la soldadura, es posible predecir el tamaño de una soldadura de filete si se conoce la entrada de calor. La siguiente relación es precisa típicamente al tamaño redondeado de la soldadura de filete. W=
H
√
W = 5.5
U.S.
500 (2)
√
H
METRICA
Donde, W = tamaño del cateto o lado del filete, pulg. (mm) y H = entrada de calor, Kj / pulg. (Kj / mm.). Cuando se calcula el valor decimal se convierte en el tamaño
de la
soldadura de filete más próximo en incrementos normalizados, típicamente 1/16″ pulg. (1 mm.), el tamaño del cateto pronosticado es típicamente igual al tamaño de la soldadura actual. La misma ecuación puede ser usada para predecir los niveles de entrada de calor para varios tamaños de soldaduras de filetes. H = 500 W 2
U.S. (3)
H=
W2
MÉTRICA
30.3
Esto, permite predecir rápidamente la entrada de calor que será alcanzada de acuerdo al requisito del tamaño de la soldadura. Si, por ejemplo, se realiza una
310
soldadura de filete en un solo pase de ½″ (12,7 mm.), la entrada de calor sería aproximadamente de 125 Kj / pulg. (5 Kj / mm.).
El ejemplo siguiente muestra como se evaluaría un procedimiento propuesto para determinar si los valores eléctricos podrían producir el tamaño de soldadura de filete esperado.
Ejemplo 1:
Un contratista propone el proceso de soldadura por arco sumergido (S.A.W.), para realizar una soldadura de filete de 5/16″ usando los siguientes parámetros: diámetro del electrodo, 5/32″; corriente directa C.D., polaridad negativa, corriente: 575 amperios, voltaje; 34 voltios; velocidad de avance, 22 pulg. / min.
¿Es esta combinación de variables, viable para este tamaño de la soldadura de filete?
DATOS Proceso: S.A.W. Tamaño Cateto: 5/16 pulgadas. Ø elect: 5/32 pulgadas Corriente: 575 amperios CD Polaridad: negativa Voltaje: 34 voltios Velocidad de Avance: 22 pulg. / mm.
CÁLCULOS:
H=
60 EI 1000 S
=
60 (34) (575) 1000 (22)
= 53,3
Kj pulg. 311
√
W=
H 500
=
√
53,3 500
= 0,326
=
5,2
(4)
16
El procedimiento propuesto es capaz de producir la soldadura requerida.
I.15.- SOLDADURA DE RANURA DE BORDES RECTOS
Con objeto de minimizar los costos de preparación de la junta, pueden emplearse soldaduras de ranura en juntas de bordes rectos. Este elemento de penetración completa en la junta (C.J.P) no esta precalificado según el código A.N.S.I / A.W.S. D 1.1. Para alcanzar con éxito la fusión completa a través de la sección transversal debe lograrse un equilibrio para obtener penetración adecuada y evitar aún fundir a través de la junta. Si no se aplica respaldo a la junta, generalmente es difícil evitar fundir a través de la junta si el nivel de penetración excede aproximadamente el 60 % de la sección transversal, particularmente cuando se suelda el primer lado. resistente a la fusión a través de la sección;
El segundo lado es más
el factor del 60 % es todavía una
buena regla general. Obviamente si alcanza una penetración menor del 50 % de cada lado, no se puede lograr una penetración completa en la junta (C.J.P). Con el 60 % de cada lado, habrá aproximadamente un 20 % de solapamiento entre los dos pases, suficiente para garantizar la C.J.P.
La máxima entrada de calor que puede ser aplicada mediante el primer pase de soldadura sin fundir a través de la junta puede ser estimada como sigue:
Hmax1 = 130t - 15
U.S.
Hmax1 = 0.23t - 60
METRICA
(5)
312
Donde, H = entrada de calor, Kj / pulg. (Kj / mm.) y t = espesor de la plancha, pulg. (mm.).
Mientras la soldadura del
otro lado puede tolerar entradas de calor
mayores hasta: Hmax2 = 140t - 15
U.S.
(6)
Hmax2 = 0.22t – 0.60 METRICA Cuando evaluamos las W.P.S podemos usar simplemente máxima absoluta para prevenir la fusión a través de la junta.
Hmax = 150t
U.S.
Hmax = 0.23t
METRICA
(7)
Las relaciones anteriores están basadas en el proceso S.A.W con corriente continua polaridad positiva, el cual es el proceso típicamente empleado cuando es necesaria la penetración profunda para lograr soldaduras de penetración completa en la junta (CJP), en juntas a tope con bordes rectos.
La figura 2 muestra 42 procedimientos de soldadura por arco sumergido, las juntas de la referencia 3 y las ecuaciones indicadas anteriormente.
Esto nos da alguna idea de las entradas máximas de calor que pueden ser toleradas para evitar fundir a través de la junta pero con objeto de alcanzar la penetración apropiada, la entrada de calor debería ser al menos el 70 % del valor máximo. Ver el ejemplo siguiente.
313
Figura 2
Ejemplo 2
Una especificación de procedimiento de soldadura propuesta comprende una soldadura de penetración completa en la junta (CJP), en una junta a tope de bordes rectos de acero cuyo espesor es de ½". Se va a usar el proceso S.A.W. con los siguientes parámetros: diámetro del electrodo; 3/16", corriente continua polaridad positiva, lado 1 (750 amp.), lado 2 (850 amp.); voltaje lado 1 (35 volt.) lado 2 (36 volt.), velocidad de avance (32 – 38 pulg. / min.).
El rango de la velocidad de avance seria entre el ± 10% del valor nominal 35 pulg. /min. ¿Se producirá la fusión a través de la junta?.
La entrada de calor por el primer lado se calcula con la menor velocidad de avance propuesta que nos suministrará la mayor entrada de calor.
314
DATOS Proceso: S.A.W Espesor: ½ pulg Ø electrodo: 3/16" Tipo corriente: C.D. Tipo polaridad: +
LADO 1
750 amp. 35 volts.
LADO 2
850 amp. 36 volts.
Velocidad de Avance
32 - 38 pulg./ min.
CALCULOS:
LADO 1
H = 60 EI 1000S
60 (35) (750) = 49,2 kg / pulg. 1000 (32)
(8)
Hmax1 = 130t – 15 = 130 (1/2") – 15 = 50 Kj / pulg.
(9)
=
La fusión a través de la junta no ocurrirá con los parámetros más altos del lado 1.
LADO 2
H = 60 (36) (850) 1000 (32)
57,4 kg / pulg.
(10)
Hmax2 = 140 (1/2) – 15 = 55 Kj / pulg.
(11)
=
Estos valores podrían predecir que la fusión a través de la sección podría ocurrir. Un aumento a 34 Pulg / min., disminuiría la entrada de calor a 54 Kj / pulg. a un nivel aceptable. Esta W.P.S. propuesta no podría ser precalificada 315
debido al espesor del metal base, así que un P.Q.R. debería acompañar la W.P.S. propuesta. Una evaluación de las velocidades de avance actual usadas seria aconsejable. Debería ser lo mejor para controlar la mínima velocidad de avance para prevenir la fusión a través de la junta.
I.16.- NIVELES MINIMOS DE ENTRADA DE CALOR PARA SOLDADURAS DE PASADAS MULTIPLES.
El código de soldadura estructural A.N.S.I / A.W.S D 1.1 especifica el tamaño mínimo de la soldadura de filete como una función del espesor del material. Esto no es por razones de diseño, pero sí para asegurar la entrada de calor de la soldadura que será en proporción al espesor del material a fin de evitar problemas tales como fusión incompleta, endurecimiento inaceptable de la zona afectada por el calor (H.A.Z.). Como ha sido demostrado previamente, es posible estimar la entrada de calor requerida para realizar una dimensión de soldadura de filete dado. Así, para un espesor de plancha dado, es posible estimar la mínima entrada de calor
necesaria con objeto de lograr el requisito mínimo de las
dimensiones de las soldaduras de filetes. El procedimiento más directo es el método en el código, que es para especificar el tamaño mínimo de la soldadura de filete. Sin embargo, para soldaduras de pasadas múltiples, es igualmente importante que la entrada de calor para cada pase de soldadura dado sea lo suficientemente alta tanto como para asegurar la fusión y evitar la evolución de durezas inaceptables en la zona afectada por el calor (H.A.Z.). La siguiente relación ha sido derivada a fin de estimar el nivel mínimo de entrada de calor necesario, basada sobre el espesor de acero el cual va a ser soldado. Hmin = 30t2 + 15t Hmin =
t2 550
+
U.S.
(12)
t 40
METRICA
316
Donde H = entrada de calor, Kj / pulg. (Kj / mm.) y t = espesor de la plancha en pulg. (mm.).
Puesto que es una ecuación para evaluar la entrada de calor, y dado que el asunto aquí es el mínimo nivel de entrada de calor, la ecuación ha sido basada sobre el menor nivel de entrada de calor asociado con las soldaduras de filete de pasada simple.
En caso de que no sea necesario aumentar la entrada de calor más allá del nivel de 50 Kj / pulg. (2 Kj / m.m.), suministrar electrodos de bajo hidrogeno esto es consistente con el mandato del código que la soldadura de filete no sea mayor de 5/16" (8 mm.), indiferente del espesor de la plancha, cuando se usen electrodos de bajo hidrogeno y los procesos que sean usados.
I.17.- NÚMERO DE PASES DE SOLDADURAS REQUERIDOS
Cuando un detalle de junta dado ha sido establecido, es posible estimar con razonable precisión el número de pases que son anticipados para completar la junta soldada. Para determinar analíticamente el número de pases, se puede usar la siguiente ecuación. N=
300Wt
U.S.
(13)
H
N=
11Wt
METRICA
H
Donde Wt = peso de metal de soldadura por longitud de soldadura, libras / pie (Kg / mm.).
317
Ejemplo 3 Una WPS propuesta utiliza una entrada de calor de 240 Kj / pulg. (9,5 Kj / m.m.), y sugiere una soldadura de filete de 1, 75 pulg. (44 mm.) La cual puede ser efectuada en 7 pases. Es esto válido? tal soldadura de filete requiere aproximadamente 5,7 libras de metal de soldadura por pies.
N=
300Wt
=
300 x 5.7
H
=
7,125
(O.K)
(14)
240
I.18.- ESPESOR DEL PASE DE RAÍZ
El pase de raíz de una soldadura de ranura es usualmente el pase de mayor dificultad de realizar y puede ser la parte más crítica de la soldadura, dependiendo de la aplicación de la junta.
Pases de raíz excesivamente gruesos a menudo contienen inclusiones de escoria y penetración incompleta. El espesor del pase de raíz en soldaduras de ranuras basada en la entrada de calor calculada de los parámetros de soldadura puede ser estimada de la siguiente relación.
El área de la sección transversal de un depósito de soldadura en un pase es igual a: H
A=
(15)
1000 El área de la sección transversal para una soldadura de ranura en bisel o ranura en V (sin refuerzo) es igual a:
A = hR +
h2 tangα 2
+
h2 tangβ
(16)
2
318
Donde h = espesor del pase de raíz, en pulgadas (no incluye cualquier penetración); R = abertura de raíz en pulg.; α = ángulo del bisel Nº 1; β = ángulo del bisel Nº 2 y H = entrada de calor, Kj / pulg.
Combinando las dos relaciones tenemos:
H
= hR +
h2 tangα
1000
2
+
h2 tangβ
(17)
2
Una vez simplificada, el espesor del pase de raíz h es estimado de:
h =
- 1000 R +
√
(1000 R)2 + 2000 H (tangα + tangβ)
(18)
1000 (tangα + tangβ)
Note que h está definido como la cantidad de metal de soldadura formado en la cima de la superficie previa. No incluye cualquier penetración de raíz.
Estas relaciones también pueden ser usadas para determinar el máximo nivel de entrada de calor aceptable para una geometría de raíz específica si el pase de raíz se mantiene a un espesor específico. Por ejemplo, D 1.1 – 2008, Tabla 3.7, restringe el espesor del pase de raíz de una W.P.S. precalificada para varios procesos.
Despejando H de la ecuación anterior tenemos la siguiente ecuación: H = 1000hR + 500h2tangα + 500h2tangβ
(19)
Si la altura máxima permisible del cordón, h es igual a 3/8" (9,5 mm.) (S.M.A.W. posición plana, G.M.A.W., F.C.A.W. según D1.1), entonces la entrada de calor máxima de calor máxima permisible puede ser calculada mediante la resolución de la ecuación. 319
Hmax = 375R + 70.3 (Tangα + tangβ)
(20)
Esta ecuación es válida solo para h igual a 3/8" (9,5 mm.), sin embargo, podríamos determinar la máxima entrada de calor para otras posiciones variando las alturas máximas del cordón.
Ejemplo 4 Considere un detalle de junta precalificada B – U4a – GF con una abertura de raíz de 1/8" y un ángulo incluido de 30º (α = 30º), β = 0. La máxima entrada de calor para el pase de raíz no debe exceder de 180 Kj / pulg y el máximo espesor debe ser de 3/8".
I.19.- DETALLES DE LA RAÍZ DE SOLDADURA
La geometría específica para una soldadura de ranura con penetración completa en la junta (C.J.P) que se desvía de las condiciones precalificadas sería evaluada para determinar si la geometría favorece a las soldaduras sin defectos que estarían libres de discontinuidades excesivas y grietas inaceptables. Las combinaciones aceptables de aberturas de raíz y ángulos “incluidos” son importantes para asegurar que el agrietamiento en la línea central del cordón no evolucione debido a una inapropiada relación ancho-profundidad. En general la relación ancho – profundidad recomendada para restringir el agrietamiento en la línea central del cordón varia de 1.0 a 1.4. La siguiente ecuación puede ser usada para evaluar cualquier combinación de soldaduras de ranuras en bisel o en V para asegurar que esta relación sea alcanzada.
W d
=
R + h (tangα + tang β)
(21)
h+P
320
Donde, W = ancho del cordón; d = profundidad del cordón; R = abertura de la raíz; α = ángulo del bisel Nº 1; β = ángulo del bisel Nº 2; P = profundidad de la penetración y h = altura del cordón.
El espesor del pase de raíz (h) puede ser calculado de la relación presentada anteriormente. La profundidad del cordón (d) es igual a h + p. Calculando la profundidad de penetración es más difícil, pero para propósito de evaluar procedimientos, un estimado de 0.125 pulg. Identificará prudentemente las juntas donde puedan existir problemas de ancho – profundidad. Esto no implica sin embargo, que este nivel de penetración siempre se logra.
Logrando la geometría apropiada de la raíz contribuirá a evitar el agrietamiento en la línea central del cordón, pero esto no asegura la presencia de falta de fusión o inclusiones de escorias. Esto se verifica mejor mediante la evaluación cuidadosa de las muestras de macro – ataque que es parte de la calificación del ensayo. Los resultados aceptables de la evaluación no destructiva requerida, así como también los resultados sucesivos de los requerimientos de las muestras de doblez, suministrarán garantía de una soldadura sin defectos.
Ejemplo 5
Un detalle de junta no precalificada va a ser soldado con 350 amp., 26 voltios y una velocidad de avance de 10 pulg / min. (H = 54.6 kg. / pulg.). El detalle de soldadura de ranura en V doble tiene un ángulo incluido de 35º y una dimensión de la cara de la raíz de 0.25", como lo muestra la figura 3.
321
Figura 3
El diseño requiere de una soldadura de ranura con C. J. P, y la soldadura se va a efectuar sin respaldo. Existe la preocupación que esta situación puede resultar en una relación ancho - profundidad inapropiada, que podría conducir en una agrietamiento en la línea central de la soldadura. Determine la relación ancho – profundidad. ¿Es el agrietamiento de raíz un problema potencial?
h =
- 1000 R +
√
(1000 R)2+ 2000 H (tangα + tangβ)
(22)
1000 (tangα + tangβ)
De aquí que α + β = ángulo incluido = 35º, α = β, α = 17.5º β = 17.5º
h =
√
- 1000 (0) +
(1000x0)2 + 2000 (54.6) (2tg17.5º) 1000 (2tg17.5º)
= 330.4 = 0.524" 630.6
322
Note que este valor excede el máximo espesor del código de 0.375 pulg. para la posición plana. Luego se hace un chequeo de la relación ancho profundidad.
W
=
R + h (tangα + tangβ )
d
W d
h+P
=
0.330
= 0 + 0.524 (2tang17.5) 0. 524 + 0.1875
(23)
= 0.463
0.7115
Esta relación es mucho menor que la menor recomendación de 1.0 y el agrietamiento en la línea central del cordón es una preocupación. Los procedimientos sugeridos se imaginan y el P.Q.R apoya lo que sería cuidadosamente censurado CONCLUSIONES
La soldadura debe ser desarrollada bajo condiciones que puedan ser previstas para alcanzar resultados de alta calidad. Una W.P.S es el medio primario mediante el cual las condiciones de soldaduras apropiadas son comunicadas al soldador. Es esencial que el soldador desarrolle la soldadura actual de acuerdo con la W.P.S., pero es igualmente importante que la W.P.S., suministre los valores necesarios para alcanzar estas metas. Cuando los procedimientos de soldaduras fallan fuera de las líneas presentadas, se justifica un examen más cuidadoso del procedimiento, y cuando conviene, los servicios de un ingeniero experto en soldadura, debe ser empleado para evaluar adecuadamente la conveniencia de una W.P.S propuesta.
323
RESUMEN
El código D1.1 es específico en sus requerimientos en cuanto a procedimientos de soldaduras. Existen beneficios económicos y de calidad, que se logran cuando los procedimientos de soldaduras productivos son especificados y adoptados. Es importante que cada uno involucrado con la secuencia de la fabricación-ingeniero, fabricador, constructor, inspector- estén concientes de los requerimientos del código así lo relaciona los procedimientos de soldaduras.
Anexos
324
325
326
327
