0 “INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO DE UNIONES SOLDADAS DE ACEROS ESTRUCTURAL AISI 1020 Y 1045” RONALD EDGAR VEGA CASTILLO COD. 20092074086 JONATHAN CASTELLANOS VARELA COD. 20092074100 UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS FACULTAD TECNOLÓGICA PROYECTO CURRICULAR TECNOLOGÍA EN MECÁNICA BOGOTA D.C. - COLOMBIA 2012
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“INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO DE UNIONES SOLDADAS DE
ACEROS ESTRUCTURAL AISI 1020 Y 1045”
RONALD EDGAR VEGA CASTILLO
COD. 20092074086
JONATHAN CASTELLANOS VARELA
COD. 20092074100
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR TECNOLOGÍA EN MECÁNICA
BOGOTA D.C. - COLOMBIA
2012
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“INSPECCIÓN POR ULTRASONIDO DE UNIONES SOLDADAS DE
7. Cilíndricos en aceros moldeados y tochos: cavidades y rechupes.
Frecuencias: generalmente, 1 y 2 MHz, y en ciertos casos, 3 y 4 MHz.
8. Tubos: cavidades, grietas transversales y dobladuras. Frecuencia:
generalmente 2 MHz.
9. Ejes de ferrocarril: grietas transversales y defectos internos. Frecuencias
variables.
10. Uniones soldadas: se representan defectos muy variables y
principalmente grietas, inclusiones de escoria, mordeduras falta de
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penetración y porosidades. Se utilizan frecuencias de 2 y 4 MHz
generalmente.
Los defectos señalados en cada material son los más típicos, aunque pueden
presentarse otros según las características de proceso y tratamientos
experimentados.
Existen estudios de la relación de amplitudes entre los ecos del defecto y de fondo
que permiten establecer una clasificación de cinco grupos (figura 6.8) a saber.
Grupo 0
Se representa una zona sana, homogénea, comprendida entre el impulso
de emisión IE y el eco de fondo EF, sin existencia de defecto alguno.
Grupo I
El oscilagrama presenta débil perturbación intermedia (ecos de escasa
altura) originada por pequeñas heterogeneidades: microporos dispersos o
provocados por débiles segregaciones.
Grupo II
Aparecen perturbaciones mas destacadas, ecos cuya altura alcanza
aproximadamente 1/3 de la altura del eco de fondo. Tales anomalías
pueden originarse por líneas de inclusiones, segregaciones, pequeñas
cavidades y los mismos citados anteriormente.
Grupo III
Destacado eco de defecto que puede alcanzar la altura del eco de fondo.
Procede de grietas, fisuras, inclusiones no metálicas, poros, etc.
Grupo IV
Existencia de perturbaciones de tal importancia que hasta el eco de fondo
puede llegar a desaparecer. Se deben a grandes y extensas fisuras, grietas
y cavidades, fuertes inclusiones.
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Figura 6.8. Clasificación de defectos según relación ED/EF
6.1.8 Caracterización de discontinuidades
Para la realización de este manual se utilizaron probetas certificadas con defectos
inducidos probetas certificadas con defectos inducidos de marca “FLAWTECH”,
con las que cuenta el laboratorio de soldadura y de Ensayos No Destructivos de
Materiales de la Universidad Nacional. Se trabajó únicamente con Uniones a tope
con semiángulo de garganta de 20°. En la tabla 1 se describe la identificación de
la probetas utilizadas para la caracterización y lo respectivos defectos presentes
en cada una de ellas.
Identificación De La Probeta
# De Discontinuidad
Descripción De La Discontinuidad
RT-501 39 Inclusión De Tungsteno
59 Soldadura Incompleta En La Garganta
RT-504 36 Inclusión De Escoria
52 Falta De Fusión
RT-505 70 Concavidad En La Raíz
RT-506 12 Grieta En La Raíz
56 Penetración Incompleta
RT-507 34 Poro
30 Porosidad
RT-508 14 Grieta Central
72 Dasalineamiento
RT-509 71 Excesiva Penetración
RT-510 57 Falta De Penetración En V Doble
Tabla 6.2. Identificación de las probetas certificadas y d ela s discontinuidades presentes. Fuente: laboratorio de soldadura y de ensayos no destructivos, universidad nacional de Colombia
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Al evaluar discontinuidades se debe tener en cuenta el tipo de discontinuidad, su
clasificación general, el tamaño, la orientación y su ubicación, además el tipo de
unión soldada y el diseño de la junta.
Tipo de discontinuidades: la sensibilidad de detección de
discontinuidades a través del ultrasonido varía dependiendo del tipo de
discontinuidad. La escala de variación del nivel de sensibilidad relativa es
mostrada en la tabla 6.3 y podría ser considerada durante la evaluación de
discontinuidades. Sin embargo en la técnica ultrasónica la sensibilidad
puede variar dependiendo del instrumento utilizado, el tipo de palpador y la
frecuencia usada, el tamaño del defecto y el método de inspección,
incluidos los trayectos de búsqueda y el acoplante usado.
Tipo De Discontinuidad Sensibilidad Relativa De Detención Por Ultrasonido
Falte De Fusión Muy Alta
Grietas (Superficiales) .
Penetración Incompleta .
Grietas Sub-Superficiales .
Concavidad En La Raíz .
Escorias Continuas .
Escorias Dispersas .
Porosidad Alineada .
Porosidad Dispersa Muy Baja
Tabla 6.3. nivel de sensibilidad relativa de detención de discontinuidades. Fuente: AWS, Estructural Welding Code, Steel. D1.1-94, pagina 349.
Clasificación general de las discontinuidades: en comparación con la
tabla 6.3 y asumiendo la mejor orientación para la detección y evaluación
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de discontinuidades, la clasificación puede ser como se muestra en la tabla
6.4, a saber:
Clasificación General De
Discontinuidades
Sensibilidad Relativa De
Detección Por Ultrasonido
Discontinuidades De Morfología Plana Muy Alta
Discontinuidades De Morfología Cilíndrica .
Discontinuidades De Morfología Esférica Muy Baja
Tabla 6.4. Clasificación general de las discontinuidades. Fuente: AWS, Estrutural Welding Code, Steel. D1-94, pagina 349.
Tamaño: el tamaño de la discontinuidad afecta la precisión de la
interpretación. Discontinuidades de tipo plano de gran altura o de una altura
demasiado pequeña pueden ser interpretadas con menor precisión que
discontinuidades de tipo plano con una altura media. Pequeños poros
esféricos son de difícil detección debido a su tamaño, ya que el eco que se
produce por la reflexión del haz ultrasónico en la discontinuidad desaparece
rápidamente al mover el palpado a través de la parte que se evalúa.
Orientación: la orientación de las discontinuidades afecta la sensibilidad de
detección de ultrasonido, debido a que se refleje una menor o mayor área
de este. En la técnica ultrasónica puede incrementarse la sensibilidad para
la orientación de las discontinuidades seleccionando un palpador angular
cuyo haz sónico incida lo más normal posible al plano de la discontinuidad y
la superficie reflectora. Para la selección del ángulo del palpador puede
tenerse en cuenta el ángulo de la garganta de la unión soldada, debido a
que usando un ángulo complementario al de la garganta puede
incrementarse la sensibilidad de detección de discontinuidades de tipo
plano-lineal, ya que estas ocurren con mayor frecuencia en la dirección del
plano formado por el ángulo de la garganta y la longitud del cordón.
Ubicación: la ubicación de las discontinuidades dentro de la soldadura y
adyacentes al metal base pueden influir en la capacidad de detección y en
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una evaluación apropiada. Discontinuidades cercanas a la superficie son a
menudo más fáciles de detectar pero más fáciles para evaluar su
importancia.
Tipo de unión soldada y diseño de la junta: el tipo de unión soldada y
diseño de la junta son factores importantes que afectan la capacidad de
detección de discontinuidades a través de la ultrasónica. Los siguientes son
factores de diseño los cuales pueden causar problemas y podrían ser
considerados para sus posible efectos: refuerzos, ángulos de biselado,
ángulos de intersección entre miembros de la unión, soldadura de
penetración parcial, uniones en T, miembros tubulares, rugosidad de la
superficie de la superficie de la soldadura y del metal base.
Para la caracterización realizada en este manual se utilizaron tres movimientos
principales del palpados a saber: movimiento de rotación, movimiento de
translación lateral (paralelo a la longitud de la discontinuidad), movimiento de
translación transversal (perpendicular a la longitud de la discontinuidad).
Inicialmente se muestran las características de variación de la envolvente del eco
de una discontinuidad para cada tipo de clasificación general de discontinuidades
y para cada uno de los movimientos principales del palpador incluido en el
movimiento orbital, el cual no es tenido en cuenta en la posterior caracterización
de cada tipo particular de discontinuidades elevadas, por no tener la envolvente
del eco una variación significativa.
Para los movimientos del palpador se utilizó la siguiente nomenclatura:
La letra A indica la posición del palpador en la cual el haz ultrasónico
detecta la discontinuidad en su mejor orientación.
Para el movimiento de rotación, la letra B indica rotación antihoraria y C
rotación horaria.
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Para el movimiento de traslación lateral, la letra B indica el desplazamiento
hacia la izquierda de la posición A, y C desplazamiento hacia la derecha de
esta.
Para el movimiento de translación transversal, la letra B indica
desplazamiento hacia abajo y C desplazamiento hacia arriba con respecto a
la posición A del palpador, es decir alejándose y acercándose a la
discontinuidad respectivamente.
En las posiciones B y C del palpador en los tres movimientos se muestra la forma
del eco de color rojo; en la posición A se muestra el eco obtenido para la mejor
orientación de la discontinuidad. La envolvente de la variación del eco al desplazar
el palpado se muestra como un contorno de color Azul.
El palpado aparece de color negro en la posición A, y en los movimientos de
translación lateral y transversal aparece de color azul cuando es desplazado hacia
la izquierda y hacia arriba, y de color verde cuando es desplazado hacia la
derecha y hacia abajo.
Para la caracterización de las discontinuidades se incluyen las imágenes del
defecto presente en la unión soldada (parte superior izquierda de la página) y del
eco obtenido por el equipo, cuando el haz ultrasónico detecta al defecto orientado
para producir su máxima indicación (parte superior derecha de la página).
El valor aumentado en la parte superior de la representación-A en la imagen de la
pantalla del equipo, indica el nivel de la indicación proveniente del defecto, en
decibeles, con respecto al nivel de ganancia primario (decibeles de referencia).
Las imágenes obtenidas del equipo USN 52 fueron insertadas en el documento
con la ayuda del software “ULTRADOC” (ANEXO A).
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6.1.8.1 Inclusión de tungsteno
33
6.1.8.2 Soldadura incompleta en la garganta
34
6.1.8.3 Inclusión de escoria
35
6.1.8.4 Falta de fusión
36
6.1.8.5 Concavidad en la raíz
37
6.1.8.6 Grieta en la raíz
38
6.1.8.7 Penetración incompleta
39
6.1.8.8 Poro simple
40
6.1.8.9 Porosidad
41
6.1.8.10 Cráter en la línea central del cordón de soldadura
42
6.1.8.11 Desalineamiento
43
6.1.8.12 Sobrepenetración o penetración excesiva
44
6.1.8.13 Penetración incompleta en V doble
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6.2 SOLDADURA POR ARCO
6.2.1 proceso por soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido
El proceso de soldadura por arco eléctrico con electrodo revestido que también se
conoces como soldadura con electrodo revestido, es uno de los métodos de
soldadura más importantes y comunes, ya que con él se pueden soldar metales de
distintos tipos y espesores, en todas las posiciones y con una inversión mínima en
el equipo. En soldadura el arco con electrodo revestido, los metales del electrodo
recubierto y de la pieza que se desea soldar quedan unidos al fundirse ambos
debido al calor del arco que se forma entre ellos. La descomposición del
revestimiento del electrodo es lo que forma la atmosfera de protección; el
electrodo fundido constituye el metal de aporte.
Un gran porcentaje de las soldaduras que se efectúan en construcción,
manufactura, mantenimiento en talleres, refinería y en la industria química,
farmacéutica y eléctrica, se efectúa en el proceso de arco eléctrico con electrodo
revestido.
6.2.1.1 Componentes de un circuito de soldadura por arco eléctrico
Para la instalación de las maquinas por arco eléctrico manual, son necesarios al
menos los elementos esquemáticos que componen el circuito de soldadura, estos
deben ser proporcionados por los fabricantes, para poder instalar de acuerdo a
sus recomendaciones. (Imagen o fig. del esquema)
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6.2.1.2 Partes
Fuente de poder
Cable del electrodo y porta electrodo
Cable conector a la pieza que se va a soldar
6.2.1.3 Principio del arco eléctrico
Cuando la punta del electrodo impacta con el metal base (pieza) se enciende el
arco y de funde o derrite el electrodo y el metal formando la unión llamada
soldadura
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6.2.2 Polaridad
Como sabemos es la dirección de circulación de la corriente en el circuito, esta la
podemos ver como:
6.2.2.1 Polaridad directa o normal: cuando el cable del porta electrodo es
conectado al polo negativo de la fuente de poder y el cable tierra es el polo
positivo. Se usa para electrodos de tipo rutilico.
6.2.2.2 Polaridad indirecta: cuando el cable del porta electrodo es conectado al
polo positivo de la fuente de poder y el cable tierra es el polo negativo. Se usa
para electrodos básicos.
6.2.3 Electrodos
Es la parte del circuito de soldadura a través del cual fluye la corriente entre el
porta electrodos y el arco. Termina en el arco, en la escoria electro conductora
fundida o en el metal base.
6.2.3.1 Electrodo revestido: es un electrodo de metal de aporte, que consiste en
una varilla metálica a la cual se ha fijado una cubierta suficiente que de una capa
de escoria sobre el metal depositado. La cubierta o revestimiento puede contener
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materiales que sirvan como atmosfera de protección, desoxidantes o
estabilizadores del arco. También pueden servir como fuente del material de
aporte a la soldadura.
Además, los electrodos revestidos pueden reemplazar los elementos del metal
perdidos por fusión, proveer de gas para proteger el baño de metal fundido, formar
la escoria para proteger el metal mientras se enfría; controla la penetración, ayuda
a concentrar la energía del arco; elimina el oxido, ayuda a limpiar el objeto que se
va a soldar y proporciona una acción fundente; incrementa la velocidad de
depósito, suministra metal adicional mediante la agregación de polvo de hierro.
El material utilizado en los revestimientos puede ser de tipo:
1. Aglutinantes: mantienen pegados los materiales del revestimiento.
2. materiales aleantes: controlan la composición química de la soldadura.
3. fundentes: controlan la fluidez del charco y eliminan los óxidos.
4. productores de escoria: suministran protección al charco.
5. desoxidantes: previenen la porosidad y fortalecen las soldaduras.
6. estabilizadores: facilitan el uso de los electrodos.
7. productores de gas: suministran una protección más adecuada.
Identificación:
La norma americana (AWS), asigna un símbolo numérico a cada electrodo.
Por ejemplo:
E - 60 1 0
Electrodo para soldadura por arco eléctrico manual
Resistencia a la tracción mínima
Digito que indica posición para soldar
Tipo de corriente
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podemos observar que los dos primeros dígitos, del total del total de cuatro,
indican la resistencia a la tracción del metal que se va a depositar expresada en
miles de libras de pulgada cuadrada; en este caso 60 equivale a una resistencia
de 60000 lb/pulg2.
El tercer digito señala la posición en que se debe soldar
Digito Equivalencia
1 Posición plana, horizontal, vertical, elevada, filetes H (filetes horizontales)
2 Posición plana, filetes H (filetes horizontales)
Cuarto digito establece el tipo de corriente que se tiene que usar y el tipo de
revestimiento del electrodo al unir el tercer y cuarto digito, la tabla a continuación
muestra el significado de los dos últimos dígitos:
50
6.2.3.2 Clasificación
Los electrodos revestidos se clasifican:
Según Su Núcleo Según Su Revestimiento
Electrodos para acero al carbono (bajo y alto carbono)
Electrodos para aceros inoxidables o de aleación especial
Electrodos para hierro fundido
Electrodos para metales no ferrosos (aluminios, bronces, etc.)
Celulósico: son de alta penetración. Los electrodos que pertenecen a este grupo son los que terminan en los números 10 y 11.
Rutílicos: de mediana penetración y buen acabado. Los electrodos que pertenecen a este grupo terminan en los números 12 y 13.
Básicos: de mediana penetración. los electrodos que pertenecen a este grupo terminan en los números 5, 6 y 8.
Hierros en polvo: de alta penetración y relleno rápido. Los electrodos que pertenecen a este grupo terminan en los números 4 y 7.
6.3 ACEROS ESTRUCTURALES
Los aceros estructurales son unos de los materiales básicos utilizados en la
construcción de estructuras como su nombre lo indica, tales como edificios
industriales y comerciales, puentes y muelles. Se produce una amplia gama de
formas y grados, lo que permite una gran flexibilidad en su uso. Es relativamente
barato de fabricar y es el material más fuerte y mas versátil disponible en la
industria de la construcción.
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Se define un acero al producto de la aleación de hierro, carbono y pequeñas
cantidades de otros elementos tales como silicio, fosforo, azufre y oxigeno, que
aportan características específicas.
Unas de las cualidades y propiedades de estos materiales es su alta resistencia,
homogeneidad en la calidad y fiabilidad de la misma, soldabilidad, ductilidad,
incombustible, pero en altas temperaturas sus propiedades mecánicas
fundamentales se ven gravemente afectadas.
6.3.1 ACERO AISI 1020
Es un acero clasificado en el grupo de los aceros de bajo carbono. Su
composición química le permite entregar un mejor desempeño en sus propiedades
mecánicas, soldabilidad y maquinabilidad de alrededor del 76%. Fácil de ser
soldado por los procedimientos más comunes entregando resultados de una
excelente calidad, el tipo de soldadura a usar depende del servicio, diseño y
medidas requeridas.
6.3.1.1 Composición química
%C %Mn %P %S
0.20 0.60 – 0.90 0.04 max 0.05 max Tabla XXX. Composición química AISI 1020