procedimiento de soldadura wps pdf
TRANSCRIPT
285
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
286
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
287
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).
288
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
289
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
290
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.
291
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
292
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
293
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
294
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.
295
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:
296
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 (D1.1-
2008, 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 D1.1-
2008, parágrafo 3.3 pag. 59, tabla 3.1 págs. 64, 65, 66, 67.
El precalentamiento mínimo y temperatura entre pasadas preescrito en D1.1-
2008, 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 D1.1-
2008, 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
297
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
298
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
299
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
300
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
301
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 (D1.1-
2008, tabla 4.5, item 32), págs. 140, 141 y 142.
302
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
303
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.
304
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.
305
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
306
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, D1.1-
2008, 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
307
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.
308
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.
309
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:
60 EI (1)
1000 S
Donde; E = Voltaje del arco, 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
H =
310
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.
H U.S.
500
(2)
W = 5.5 √ 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.
500 W 2 U.S.
(3)
W 2
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
H =
H =
√ W =
311
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 60 (34) (575) Kj
1000 S 1000 (22) pulg.
= = 53,3
312
H 53,3 5,2
500 500 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. El segundo lado es más
resistente a la fusión a través de la sección; 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. (5)
Hmax1 = 0.23t - 60 METRICA
√ W = = = = √ 0,326 (4)
313
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. (7)
Hmax = 0.23t METRICA
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.
314
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.
315
DATOS
Proceso: S.A.W
Espesor: ½ pulg
Ø electrodo: 3/16"
Tipo corriente: C.D.
Tipo polaridad: +
LADO 1
LADO 2
Velocidad de Avance
CALCULOS:
60 EI 60 (35) (750) (8)
LADO 1 1000S 1000 (32)
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.
60 (36) (850) (10)
LADO 2 1000 (32)
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
750 amp.
35 volts.
850 amp.
36 volts.
32 - 38
pulg./ min.
H = = = 49,2 kg / pulg.
H = = 57,4 kg / pulg.
316
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 U.S. (12)
t2
t
550 40 METRICA
Hmin = +
317
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.
300Wt U.S. (13)
H
11Wt METRICA
H
Donde Wt = peso de metal de soldadura por longitud de soldadura, libras /
pie (Kg / mm.).
N =
N =
318
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.
300Wt 300 x 5.7
(O.K) (14)
H 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 (15)
1000
El área de la sección transversal para una soldadura de ranura en bisel o
ranura en V (sin refuerzo) es igual a:
h2 tangα
h
2 tangβ
(16)
2 2
N = = = 7,125
A =
A = hR + +
319
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 h
2 tangα
h
2 tangβ
(17)
1000 2 2
Una vez simplificada, el espesor del pase de raíz h es estimado de:
- 1000 R (1000 R)2 2000 H (tangα
tangβ)
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 + 500h
2tangβ (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.
√
= hR + +
h = + + +
+ (18)
320
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 R + h (tangα
+ tang β)
(21)
d h + P
=
321
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.
322
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?
- 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
- 1000 (0) (1000x0)2 2000 (54.6)
(2tg17.5º)
330.4
1000 (2tg17.5º) 630.6
√ h = + + +
+
√ h = + + = = 0.524"
323
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
) 0 + 0.524 (2tang17.5) (23)
d h + P 0. 524 + 0.1875
W 0.330
d 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.
= =
= = 0.463
324
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
325
326
327