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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
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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.