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Estudio de las Discontinuidades Generadas por Aplicación de Soldadura GMAW Mediante el Uso de la Prueba Ultrasonido: Arreglo de Fases L.A. AGUILAR-PÉREZ; G.Y. PÉREZ-MEDINA; A.F. MIRANDA-PÉREZ; A. HERNÁNDEZ RODRÍGUEZ; R. PRAGA-ALEJO. Maestría en Tecnologías de la Soldadura Industrial, Corporación Mexicana de Investigación en Materiales S.A. de C.V., Saltillo, Coah., México. FORO DE INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN EN MATERIALES. VOL. 13 (2016) 509-515 Editores: E.A. Aguilar, E. Bedolla, C.A. León ® Instituto de Investigación en Metalurgia y Materiales de la UMSNH Morelia, MÉXICO. ISSN 2448-6892 Foro de Ingeniería e Investigación en Materiales Cuerpo Académico Consolidado CA-105: Ingeniería y Tecnología de Metales, Cerámicos y Aleaciones INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN EN METALURGIA Y MATERIALES UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN NICOLAS DE HIDALGO

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Estudio de las Discontinuidades Generadas por Aplicación de Soldadura GMAW Mediante el Uso de la Prueba Ultrasonido: Arreglo de Fases L.A. AGUILAR-PÉREZ; G.Y. PÉREZ-MEDINA; A.F. MIRANDA-PÉREZ; A. HERNÁNDEZ RODRÍGUEZ; R. PRAGA-ALEJO. Maestría en Tecnologías de la Soldadura Industrial, Corporación Mexicana de Investigación en Materiales S.A. de C.V., Saltillo, Coah., México.

FORO DE INGENIERÍA E INVESTIGACIÓN EN MATERIALES. VOL. 13 (2016) 509-515 Editores: E.A. Aguilar, E. Bedolla, C.A. León

® Instituto de Investigación en Metalurgia y Materiales de la UMSNH Morelia, MÉXICO.

ISSN 2448-6892

Foro de Ingeniería e Investigación en Materiales

Cuerpo Académico Consolidado CA-105: Ingeniería y Tecnología de Metales, Cerámicos y Aleaciones INSTITUTO DE INVESTIGACIÓN EN METALURGIA Y MATERIALES

UNIVERSIDAD MICHOACANA DE SAN

NICOLAS DE HIDALGO

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Estudio de las Discontinuidades Generadas por Aplicación de Soldadura GMAW Mediante el Uso de la Prueba Ultrasonido: Arreglo de Fases L.A. AGUILAR-PÉREZ; G.Y. PÉREZ-MEDINA; A.F. MIRANDA-PÉREZ; A. HERNÁNDEZ RODRÍGUEZ; R. PRAGA-ALEJO. Maestría en Tecnologías de la Soldadura Industrial, Corporación Mexicana de Investigación en Materiales S.A. de C.V., Saltillo, Coah., México.

Introducción

La dependencia y correlación entre las variables de entrada (voltaje, velocidad y alimentación de

alambre) y la calidad final generada por la unión mediante el proceso de soldadura por arco de

metal y gas (GMAW) sobre componentes de acero AISI 1018 con un espesor de 15.8 mm,

aplicados a la industria del transporte de carga en su modalidad de operaciones en carretera, son

analizadas en el presente caso de estudio. La aparición de discontinuidades, se correlaciona

directamente a los parámetros de entrada empleados para la unión de los componentes, la detección

de dichas discontinuidades se logra mediante la evaluación de la unión soldada usando ensayos no

destructivos; la prueba de ultrasonido: arreglo de fases, y líquidos penetrantes. Los criterios de

aceptación que aplican para el componente; por lo general se establecen en el código de diseño

aplicable, a menudo con requisitos adicionales establecidos por el cliente, dichos criterios de

aceptación son discutidos de acuerdo a las nuevas tecnologías empleadas para el análisis de las

discontinuidades, debido a que los códigos empleados actualmente en las industrias no toman en

cuenta el uso de dichas nuevas tecnologías.

Los métodos recomendados para verificar la calidad son; prueba de radiografía y prueba de

ultrasonido [1,2]. Sin embargo, en la actualidad se utiliza únicamente la prueba de ultrasonido

como ensayo no destructivo para evaluar la calidad de ése tipo de componentes en cuestión de la

penetración (valor mínimo requerido del 55% de acuerdo al criterio de aceptación aplicable al

componente) que presenta la unión soldada, la nueva tecnología: arreglo de fases, brinda mejores

beneficios para llevar a cabo la inspección de la calidad; cuenta con mayor número de elementos

para una mejor focalización y así cubrir el 100% del volumen soldado [1].

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El uso del ensayo no destructivo mediante la prueba de ultrasonido: arreglo de fases, se plantea

como sistema tecnológico innovador para realizar inspecciones volumétricas a mayor velocidad y

menor costo en la industria. Por lo tanto, se realiza un estudio previo sobre el proceso de soldadura

e inspección de calidad, para verificar la viabilidad de su implementación en las líneas de

producción.

Metodología

Las placas utilizadas para la experimentación son de acero AISI 1018 tienen una forma rectangular

con dimensiones de 300 x 100 x 15.8 mm (largo, ancho, espesor, respectivamente).

Se determina que la unión de la junta debe contar con:

Ángulo de bisel 20°

Tamaño de raíz = 8 mm

Tamaño de gap = 0 mm.

La configuración de la junta se describe en la Figura 1.

Fig. 1 Configuración de la junta.

Se obtuvieron 6 cordones (probetas) de soldadura con parámetros diferentes, cada cordón de

soldadura tiene una longitud de 150 mm. La Tabla 1 expresa los parámetros usados para cada

probeta.

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Tabla 1 Parámetros de soldadura utilizados.

Probeta Alimentación(m/min) Voltaje (V) Velocidad (m/min)

P1 9.8 31 0.47

P2 9.5 31 0.45

P3 9 31 0.43

P4 8.5 31 0.41

P5 9 29 0.43

P6 8.5 29 0.41

Se utilizó un proceso automatizado de soldadura GMAW con el equipo Lincoln Power Wave®

455M, comunicado a un robot Kuka KR-16. Se empleó un material de aporte ER-70S con diámetro

de 1.6 mm, el gas de protección es una mezcla de 85-15% de argón y dióxido de carbono

respectivamente.

Se aplicaron 2 tipos de ensayos no destructivos para la evaluación de la calidad. El primero fue la

prueba por líquidos penetrantes, removibles con solvente; que cubre la parte superficial y sub-

superficial de la inspección [2], con una limpieza mecánica previa usando cepillado metálico, para

el posterior uso del kit (limpiador/removedor, penetrante, revelador) MagnaFlux Spotcheck, El

segundo fue la prueba por ultrasonido: arreglo de fases; que cubre la parte volumétrica de la

inspección [3], se realizó el barrido por zonas de las probetas mediante el equipo OmniScan MXU

con un transductor 2.25L16 AWS1 y usando ángulos de inspección de 45° a 70° en incrementos

de 1°por elemento.

Resultados y Discusión

Ventajas del uso de arreglo de fases

El uso de arreglo de fases facilita la interacción del inspector con el procedimiento de inspección

debido a que la interfaz (Fig. 2) proporciona un conjunto de elementos que brinda mejor

visualización pero que a su vez requiere mayor nivel de capacitación y entrenamiento. Como lo

reportan otros autores; el uso en la industria de los sistemas de arreglo de fases ha incrementado,

trayendo consigo nuevos niveles de información y visualización [3,4]. Aprovechar éste tipo de

beneficios comparados con los convencionales, brinda la oportunidad de realizar inspecciones de

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diversos componentes como ha sido aprovechado por A.A. Diaz [5] para determinar el

agrietamiento por fatiga que se presenta comúnmente en sistemas de tubería de reactores donde se

usan soldaduras de metales disimiles, la detección y dimensionamiento de las discontinuidades

presentes en la totalidad del volumen se realizó de manera efectiva con el uso de la tecnología de

arreglo de fases [5].

Fig. 2 Interfaz para el usuario en la pantalla del equipo usado en la inspección.

(a) A-Scan, (b) RayTracing, (c) S-Scan.

Configuración para llevar acabo la inspección

Las características del material y del transductor, son necesarias para llevar a cabo la configuración

de las leyes focales para el tipo específico de unión inspeccionada. Las leyes focales y la

configuración para la evaluación de calidad de la presente inspección se obtienen a partir de la

configuración de la junta y el uso de prácticas estándar (ASTM E2700 – 14, ASTM E2491 − 13)

que describen las técnicas ultrasónicas con arreglo de fases para la inspección de soldaduras [6,7].

S.J. Song y otros dos autores reportan un sistema con arreglo de fases por ultrasonido para la

evaluación no destructiva de componentes de plantas nucleares de energía, donde incrementa la

eficiencia de focalización mediante la selección adecuada de un transductor y optimiza así las

condiciones para llevar acabo la inspección de la soldadura [8-10].

a)

b)

c)

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Inspección volumétrica de soldadura (mediante el uso de arreglo de fases)

El tiempo empleado en la realización del barrido sectorial fue de aproximadamente 10 minutos,

que es menor comparado con el del sistema ultrasónico (22 minutos) que se usa de manera

convencional. La Figura 3 muestra un esquema representativo que hace alusión a la penetración

(criterio de evaluación más relevante de la inspección). El barrido sectorial cubrió el 100% del

volumen de soldadura depositado mediante la unión. Los resultados de la inspección volumétrica

con el número de defectos y el porcentaje de penetración; como criterios de evaluación de la

calidad, se reportan la Tabla 2, indicando que usando los parámetros de la probeta 6 (8.5 m/min de

alimentación, 29 V y 0.41 m/min de velocidad) de magnitud menor en relación con las demás

probetas presentó el porcentaje mínimo de penetración, mismo que es aceptado conforme a los

criterios mínimos de aceptación aplicables en componentes empleados en la industria del transporte

de carga. Las probetas P3 y P6 son las que presentan mayor y menor penetración respectivamente

(Fig. 4).

Fig. 3 Esquema representativo de la penetración.

Tabla 1 Resultados de la inspección volumétrica.

Probeta Defectos Penetración (%)

P1 0 59.9375

P2 0 64.875

P3 0 66

P4 0 65.8125

P5 0 64.1875

P6 0 59.0625

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Fig. 4 Resultados de inspección de soldadura: (a) probeta 3 y (b) la probeta 6.

Inspección superficial y sub-superficial de soldadura (ensayo con líquidos penetrantes)

Para verificar la aparición de discontinuidades en la superficie del componente unido y

complementar los resultados obtenidos por el método de inspección volumétrica se propuso el uso

de líquidos penetrantes debido a que es un método de aplicación fácil y rápido (tiempo aproximado

de obtención de indicaciones: 20 min., 5 min. de limpieza, 5 min. de penetración y 10 min. de

revelado). El reporte de inspección revela que no hay indicaciones relevantes en la parte superficial

y sub-superficial de las 6 probetas de soldadura (Fig. 5).

Fig. 5 Inspección mediante el ensayo con líquidos penetrantes.

Conclusiones

Se determina que el ensayo seleccionado (líquidos penetrantes) es el adecuado para cubrir el total

del área donde pudiesen presentarse posibles indicaciones en la inspección superficial y sub-

superficial.

a) b)

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La aplicación del ensayo no destructivo en la inspección volumétrica mediante el uso de arreglo de

fases provee la tecnología necesaria para realizar un estudio (más completo y rápido) de las

discontinuidades presentes en un componente al que se le aplica soldadura GMAW, y a su vez

obtener mediciones de penetración más precisas en comparación con el método convencional

(ultrasonido). En el caso de los parámetros empleados en esta experimentación aplicando

alimentación del alambre en rangos entre 8.5 y 9.5 m/min y voltajes entre 29 y 31 V permiten

cumplir con la penetración demandada por la industria del transporte de carga.

Referencias 1. P Ducharme, et al. Automated Ultrasonic Phased Array Inspection Of Fatigue Sensitive Riser Girth Welds With

A Weld Overlay Layer Of Corrosive Resistant Alloy (Cra), (2012). 2. J Barckhoff, K Kerluke, D Lynn. Certified Welding Supervisor Manual For Quality And Productivity

Improvement. Miami : American Welding Society, (2005). 3. B Messer, C Patrick, S Seitz. International Journal of Pressure Vessels and Piping, (2006), 83, p. 365–372. 4. OLYMPUS. Phased Array Testing: Basic Theory for Industrial Applications. Canada : s.n., 2013. 5. A A Diaz, S L Crawford, A D Cinson, M T Anderson. An Evaluation of Ultrasonic Phased Array Testing for

Reactor Piping System Components Containing Dissimilar Metal Welds. Washintong : Pacific Northwest, 2009. 6. ASTM. Standard Guide for Evaluating Performance Characteristics of Phased-Array Ultrasonic Testing

Instruments and Systems. s.l: ASTM International, 2013. 7. ASTM Standard Practice for Contact Ultrasonic Testing of Welds Using Phased Arrays. s.l.: ASTM International,

2014. 8. J Ye, H J Kim, S J Song. NDT & E International, 44, (2011), p. 290–296. 9. S J Song, H J Shin, Y H Jang. Nuclear Engineering and Design, 214, (2002), p. 151–161. 10. L Satyanarayan, A Kumar, T Jayakumar. J Nondestruct Eval, (2009), 28, p. 111–124.