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TERMOGRAFIA APLICADA A LA INDUSTRIA

GRUPO DE TRABAJO:

DESARROLLO TECNOLOGICO Y CALIDAD (DETECAL)

DANIEL ALEXANDER GUANUMEN PIÑEROS

FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA MECÁNICA

JULIO 2007

TERMOGRAFÍA APLICADA A LA INDUSTRIA

GRUPO DE TRABAJO:

DESARROLLO TECNOLOGICO Y CALIDAD (DETECAL)

DANIEL ALEXANDER GUANUMEN PIÑEROS

Proyecto de Investigación para optar al título de Ingeniero Mecánico

Director: ING. JORGE RENE SILVA

FACULTAD DE INGENIERIA INGENIERIA MECÁNICA

JULIO 2007


CONTENIDO Pág.

INTRODUCCIÓN

1. OBJETIVOS

1.1 OBJETIVO GENERAL 5 1.2 OBJETIVOS ESPECIFICOS 5

2. MARCO TEORICO 6 2.1 Termografía 6 2.2 Procesos de soldadura 8 2.3 Soldadura por arco manual 9 2.4 Documentos de inspección y calificación de soldaduras 11 2.5 Discontinuidades 12 2.6 Inspección y ensayos no destructivos 15

3. DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL 18

4. RESULTADOS 21

4.1 Inspección Visual 21 4.2 Tintas Penetrantes 22 4.3 Radiografía Industrial 23 4.4 Ultra sonido 27 4.5 Termografía Industrial 28 4.6 Contraste 38

5. DISEÑO EXPERIMENTAL 41 5.1 Planteamiento del problema 41 5.2 Hipótesis 41 5.3 Objetivos 41 5.4 Fuentes de variación 42 5.5 Ejecución del experimento 42 5.6 Conclusiones 45

6. RECOMENDACIONES 46 7. CONCLUSIONES 46 8. BIBLIOGRAFIA 47 ANEXOS


DANIEL ALEXANDER GUANUMEN PIÑEROS 4

INTRODUCCION Debido a los altos estándares de calidad que se exige en los procesos industriales, hoy en día la ingeniería busca desarrollar alternativas que sean más eficientes y que cumplan con los requisitos de calidad necesarios. Dentro de los procesos industriales más complejos y de gran cuidado son aquellos que son manipulados por el hombre y uno de los más reconocidos es la soldadura por arco eléctrico ya que en su gran mayoría es manual y sobre todo susceptible a generar errores que puedan afectar en un momento dado la seguridad de muchas personas, es por eso que se implementan con bastante rigor aquellas técnicas de inspección de uniones soldadas denominadas Ensayos No Destructivos dentro de las cuales se cuenta técnicas como la radiografía industrial, la inspección visual, tintas penetrantes, ultra sonido entre otras. La Universidad Libre con el propósito de generar tecnologías innovadoras y sobre todo útiles para el diario vivir, mediante sus investigadores y en este caso a través del Ingeniero Jorge Rene Silva docente investigador se planteo tres años atrás la hipótesis sobre que tan efectiva o que rol puede desempeñar el comportamiento de la temperatura en un cordón de soldadura los cuales podrían ser analizados por medio de una cámara termográfica que ilustraría dicho comportamiento y si está genera variaciones importantes que tan confiable sería comparada con las técnicas de inspección tradicionales. Este documento ilustra, demuestra y aclara la confiabilidad que puede llegar a tener dicha técnica así como las etapas necesarias para llegar a estas conclusiones.



1. OBJETIVOS

1.1 Objetivo general Fundamentar el diseño experimental para la validación de la técnica de termografía en inspección de soldaduras. 1.2 Objetivos específicos

1. Validar teóricamente la técnica de termografía como método de evaluación de soldaduras industriales a través de la teoría de la radiación térmica infrarroja.

2. Determinar las variables físicas que intervienen en la evaluación de soldaduras

en laboratorio a través de la termografía.

3. Determinar el tamaño de la muestra representativa para el diseño experimental que permita la posterior validación de la técnica con un alto grado de confiabilidad.

4. Establecer metodologías específicas para auditar procesos de soldadura con la

técnica de termografía a nivel de laboratorio.

5. Validar la metodología y resultados encontrados a través de técnicas convencionales según la aplicación y disponibilidad de recursos.



2. MARCO TEÓRICO

2.1 Termografía

En 1800, el astrónomo inglés Guillermo Herschel descubrió el infrarrojo, y con esto comenzó la exploración de la ciencia en termografía. Herschel diseñó y creó sus propios telescopios, haciéndose popular con lentes, espejos y la refracción de luces. Su investigación en termografía comenzó con el conocimiento de la luz solar, su composición en todos los colores del espectro, y como fuente de calor para determinar cuál color era responsable del calentamiento de objetos. En el primer experimento de termografía utilizó un prisma, cartón y termómetros con bulbos ennegrecidos en los cuales las temperaturas de los diferentes colores eran medidas. Cuando la luz solar pasó a través del prisma, Herschel observó un aumento de la temperatura al mover el termómetro del color violeta al rojo en el arco iris creado por la luz y que la temperatura más caliente estaba por encima de la luz roja (última del espectro visible) y que la radiación causante de este calentamiento era invisible. El la llamó “rayos caloríficos”. Hoy se llama energía infrarroja y la medición del calor emitido: termografía. La termografía se fundamenta en la conversión de la radiación térmica infrarroja emitida por un cuerpo en imágenes térmicas. Todas las formas de materia emiten energía por radiación independiente de su naturaleza y temperatura, y aunque es un fenómeno de carácter volumétrico, dado que ocurre al interior, como resultado de la interacción molecular que origina un movimiento armónico vibratorio, para efectos prácticos se considera un fenómeno superficial ya que la mayoría de energía es absorbida por la misma materia y solamente se emite la originada por la interacción de moléculas cercanas a la superficie. El transporte de dicha energía (radiación) presenta dos teorías: la teoría cuántica y la teoría ondulatoria. La teoría de los cuantos explica que para cada frecuencia de radiación hay una pequeña pulsación mínima de energía que se emite y corresponde al cuanto o fotón que puede multiplicarse según la frecuencia. La teoría ondulatoria considera que la radiación simplemente es la propagación de ondas electromagnéticas. Independiente de la teoría, es claro que la radiación presenta las propiedades características de las ondas como longitud (λ), frecuencia (ν) y velocidad de propagación (c) que se relacionan así:

v

c≈λ (1)

Para el caso particular, c corresponde a la velocidad de la luz en el medio, siendo en el vacío de 2.9979 x 108 m/s; v la frecuencia de oscilación del cuerpo emisor y λ la longitud de onda expresada en micras (µm) que equivalen a 10-6m.



Cada forma de energía tiene una aplicación diferente y ocupa un ancho de banda particular del espectro electromagnético. La radiación térmica por ejemplo, ocupa el intervalo desde 0.1µm hasta 100 µm, como se observa en la figura 1, y su participación principal es en la interacción de la transferencia de calor en múltiples fenómenos naturales. La diferencia principal en el espectro radica en la cantidad de energía emitida, ya que entre menor sea la longitud de onda, mayor será la energía emitida (mayor frecuencia de oscilación) y por lo tanto de mayor peligrosidad para el ser humano como es el caso de los rayos gama, rayos x y el ultravioleta.

Rayos X10-4Rayos10-6-710 -510 MicroondasRad térmicaUV IRVisible-2-310 10 -110 1

0.38 210 10 4310 100.77

Ondas de radio y TV6510 10 8710 10 10910 10 ,µm

Figura 1. Espectro de la radiación electromagnética. La radiación térmica la constituyen una fracción de los rayos ultravioleta y la totalidad de la luz visible y el infrarrojo, en los siguientes anchos de banda:

• Ultravioleta (UV): 0.01µm – 0.38µm1. • Luz visible: 0.38µm – 0.77µm. • Infrarrojo (IR): 0.77µm – 100 µm.

Dicha radiación presenta dos características fundamentales que dificultan su comprensión y análisis: la distribución espectral y la distribución direccional. Para entenderlas fácilmente, basta con interpretar la luz visible que se encuentra entre 0.38µm – 0.77µm. La cámara termográfica es el instrumento encargado de convertir la radiación térmica infrarroja de un intervalo del espectro electromagnético emitida por un cuerpo en imágenes térmicas. Sus aplicaciones son innumerables si se tiene en cuenta que todos los cuerpos emiten radiación por encima de la temperatura del cero absoluto y que la temperatura es una manifestación del comportamiento intramolecular de la materia, por tanto el equipo termográfico puede utilizarse desde aplicaciones de medicina hasta operaciones industriales o militares. Comercialmente las cámaras infrarrojas se clasifican en dos grupos: las cámaras calibradas o profesionales y las cámaras no calibradas. Una cámara calibrada no solo presenta una imagen visual de referencia sino también una medición de temperatura con un alto grado de exactitud. La cámara no calibrada solamente presenta la imagen de referencia.

2 A partir de 0.1µm se considera el inicio de la radiación térmica.



Independiente del programa de termografía que se desee implantar, todo se fundamentará en la exactitud, confiabilidad y repetibilidad de los datos de temperatura que determinarán la acción correctiva correspondiente. Hay dos requerimientos específicos para obtener buenos resultados: 1. Una cámara de buen desempeño (profesional) en todas las tareas requeridas. 2. Entrenamiento termográfico certificado por una organización reconocida. Por tanto, es necesario que el grupo profesional encargado de realizar la selección tenga en cuenta algunos parámetros y conozca definiciones básicas que le permitirán realizar una buena elección considerando el desempeño y la inversión. 2.2 Procesos de Soldadura Existe más de un método de aplicación de los diferentes procesos de soldadura y algunos requieren muy poca habilidad de maniobra. El titulo que se usa para el individuo que realiza la soldadura indica el nivel respectivo de la habilidad de maniobra. Por definición el soldador es “la persona que ejecuta una operación de soldadura manual o semiautomática”. El operador de la soldadura es “la persona que opera un control adaptable o un equipo para soldadura automática, mecanizada o robotizada”. Las definiciones no indican el nivel real de la habilidad de maniobra involucrada ya que ambos abarcan muchos métodos para realizar las soldaduras. Esto tiende a crear confusión, ya que un soldador entrenado para realizar la soldadura semiautomática aplicando un proceso puede ser incapaz de realizar la soldadura manual con otro proceso. Esto no es importante para un operador de la soldadura, pues la diferencia en habilidad para la soldadura mecanizada y para Ia soldadura automática no es muy grande. La American Welding Society ha establecido cuatro métodos específicos para la aplicación de los diversos procesos de soldadura. Estos se basan en los siguientes métodos de aplicación de una soldadura.

SM - Soldadura Manual: Soldadura con la antorcha, pistola- o porta-electrodo sostenido y maniobrado manualmente. SA - Soldadura Semi-Automática: Soldadura manual con un equipo que controla automáticamente una o más de las condiciones para soldar. ME - Soldadura Mecanizada: Soldadura con un equipo que requiere un ajuste manual de los controles del equipo, en respuesta a una observación visual de la soldadura, con el porta-electrodo, pistola o antorcha sostenida por un dispositivo mecánico. AU - Soldadura Automática: Soldadura con un equipo que requiere solamente una observación ocasional o ninguna observación de la soldadura y además no se requiere un ajuste manual de los controles del equipo. Este concepto de variación en los grados de control de la acción manual de un soldador, puede entenderse mejor cuando consideramos las actividades normales en la ejecución de una soldadura arco manual. Estas se definen y agrupan dentro de las siguientes funciones:



1. Encendido y manutención del arco. Esto incluye mantener y controlar la

correcta longitud del arco. 2. Alimentación del electrodo en el arco. Esto permite el llenado de la

junta. 3. Control del calor para una penetración adecuada. 4. Movimiento del arco a lo largo de la junta. Esto significa brindar un

avance relativo o progresión a lo largo de la junta de soldadura. 5. Guiado del arco a lo largo de la junta; es decir, siguiendo la junta,

brindando un llenado o tamaño uniformes. 6. Manipulación de la antorcha para dirigir el arco. Esto asegura la fusión

en la raíz y en los cordones previos de soldadura. 7. Corrección del arco para vencer las desviaciones. Esto se hace para

compensar las ensambladuras pobres, las aberturas amplias de raíz, etc.

En la soldadura automática las mismas funciones son completamente controladas por mecanización. La habilidad requerida por el individuo es mayor cuando todas las funciones están bajo control de la persona y disminuye cuando las funciones son controladas por la soldadura mecanizada.

2.3 Soldadura por Arco Manual (SMAW) La soldadura por arco manual (SMAW) es un proceso de arco eléctrico que produce la coalescencia de los metales por calentamiento de ellos con un arco, entre un electrodo de metal revestido y las piezas de trabajo. El proceso se usa con protección por la descomposición de la superficie del electrodo, sin la aplicación de presión y con el metal de aporte del electrodo. Algunos nombres comunes para este proceso es “soldadura con electrodos de varilla”.

Figura 2. Diagrama de la soldadura SMAW y su equipo.

El proceso de soldadura por arco manual como se observa en la figura 2 es uno de los procesos de soldadura más populares. Este es el más simple y más versátil de los



procesos de soldadura por arco. La soldadura por arco manual puede usarse para soldar tanto metales ferrosos como algunos no ferrosos y espesores mayores al calibre 18 (1.1mm) en todas las posiciones. El arco está bajo el control del soldador. Un recubrimiento de escoria queda en la superficie de la soldadura y debe ser removida. El uso más popular para este proceso es en la soldadura de aceros dulces y de baja aleación. El proceso de soldadura por arco manual es básicamente un proceso operado manualmente. El electrodo se asegura en un porta-electrodo y el soldador manipula la punta del electrodo en relación al metal que está siendo soldado. El arco es encendido, mantenido y apagado manualmente por el soldador. Existen diversas variaciones de este proceso, las cuales se hacen automáticamente. Estas son la soldadura por gravedad, por desintegración térmica, por puntos y por electrodos masivos. Estos métodos comprenden sólo un pequeño porcentaje de la soldadura hecha por el proceso de soldadura por arco manual. 2.3.1 Instrumento El instrumento para el proceso de soldadura por arco manual consta de una fuente de poder, cable de soldadura, porta-electrodo y grampa o accesorios de conexión de masa. 2.3.2 Fuente de Poder El propósito de la fuente de poder es proporcionar la potencia eléctrica (de la corriente y voltaje adecuados) para mantener un arco de soldadura. La fuente de poder para la soldadura por arco manual debe ser corriente constante (CC). El rango normal de corriente va de 25 a 500 amperios, usando los electrodos convencionales. Muchos tamaños y tipos de fuentes de poder se han diseñado para la soldadura por arco manual. La mayoría de las fuentes de poder operan con una potencia eléctrica de entrada en 230 o 460 voltios. Las fuentes de poder que operan con una potencia de entrada en 200 o 575 voltios son opciones disponibles. 2.3.3 Tipos de corriente La soldadura por arco manual puede realizarse por corriente continua (CC) o con corriente alterna (CA). Con corriente continua puede usarse la conexión electrodo negativo (CCEN polaridad directa) o electrodo positivo (CCEP - polaridad inversa). Cada tipo de corriente tiene ventajas diferentes, pero la selección de tipo corriente de soldadura a usarse depende de la disponibilidad del equipo y del tipo de electrodo seleccionado. La corriente continua fluye en una dirección continuamente a través del circuito de soldadura. Las ventajas que esta tiene sobre la C. A. son:

1. La corriente continua es mejor a bajas corrientes y. con electrodos de pequeños diámetros.

2. Todas las clases de electrodos revestidos pueden usarse con resultados satisfactorios.

3. El encendido del arco es generalmente más fácil con la corriente continua. 4. Mantener un arco corto es más fácil. 5. Esta produce generalmente menos salpicaduras en la soldadura que la

corriente alterna. 2.3.4 Porta-electrodo El porta-electrodo sirve como dispositivo tipo grampa para sostener el electrodo y transferir la corriente al electrodo. El mango aislado separa la mano del soldador del



circuito de soldadura. Los porta-electrodos se suministran en dos tipos: de comprensión y tipo boquilla o de torsión. Los porta-electrodos vienen en diversos tamaños y están diseñados para su capacidad de transporte de corriente. 2.3.5 Electrodo Los electrodos para la soldadura por arco manual constan de un núcleo de alambre con un recubrimiento fundente. El recubrimiento del electrodo determina su capacidad de uso y proporciona las siguientes propiedades:

1. El gas a partir de la descomposición de ciertos ingredientes del recubrimiento, para proteger de la atmósfera el arco.

2. Desoxidantes para barrer y purificar el metal de soldadura depositado. 3. Formadores de escoria para proteger de la oxidación el metal de soldadura

depositado. 4. Elementos ionizantes para hacer más estable el arco y que el electrodo opere

más suavemente con la corriente alterna. 5. Elementos de aleación para proporcionar características especiales al metal de

soldadura depositado. 6. Polvo de hierro para mejorar la productividad del electrodo.

El tamaño del electrodo se designa por el diámetro del núcleo de alambre y por la longitud del electrodo. Los electrodos recubiertos se encuentran comúnmente disponibles en tamaños de 1/16 in (1.6 mm) a 5/16 in (7.9 mm) de diámetro. Las longitudes comunes son 9 in (230 mm) a 18 in (457 mm). Sin embargo para aplicaciones especiales pueden obtenerse longitudes de hasta 36 in (914 mm). Las características de la capacidad de uso para los diferentes tipos de eléctrodos están estandarizadas y definidas por American Welding Society. El sistema de identificación de la AWS indica la resistencia del metal de soldadura depositado, las posiciones de soldadura que pueden emplearse, el factor de la capacidad de uso del electrodo y, en algunos casos, el análisis del metal depositado. Un número de clasificación AWS viene impreso en cada electrodo para fines de identificación. Las clasificaciones de los electrodos recubiertos, de acero dulce y de acero de baja aleación, constan de la letra E y de cuatro o cinco dígitos. A veces se añade un sufijo a la clasificación para dar una información adicional. 2.4 Documentos de inspección y calificación de soldaduras El trabajo de inspección de soldaduras requiere que el inspector posea o tenga acceso a una gran cantidad de información. Aunque la inspección de soldaduras en diferentes industrias puede ser similar en muchos aspectos, cada trabajo particular puede tener requisitos que lo hacen único. Los inspectores no pueden evaluar una construcción soldada sin la información del diseñador o el ingeniero de soldadura con respecto a la calidad requerida de las soldaduras, igualmente el inspector necesita saber cuando y como evaluar las mismas; las condiciones de los diferentes materiales utilizados en las construcciones soldadas afectarán la calidad final de las mismas. Para satisfacer esta necesidad hay numerosos documentos disponibles para el diseñador, el ingeniero y el inspector de soldaduras que establecen qué, cuando, cómo y donde se deben efectuar las inspecciones; varios de ellos incluyen también los criterios de aceptación. Estos documentos existen en varias formas, dependiendo de la aplicación específica para esto se puede valer de: especificaciones, planos de fabricación, códigos de’ fabricación y de referencia y estándares. Los contratos o documentos de compra pueden contener también información necesaria para el



trabajo, igual que los documentos mencionados anteriormente. En el caso de que más de uno de los documentos nombrados sea especificado se entiende que serán usados conjuntamente el uno con el otro. Las especificaciones del trabajo o contrato pueden contener requerimientos suplementarios que alteren parcialmente lo requerido por los códigos o estándares. Es esencial que el inspector de soldaduras tenga la oportunidad de estudiar documentos aplicables antes de la iniciación del trabajo. Este esfuerzo inicial antes de la soldadura le dará al inspector la información acerca de las inspecciones que se van a presentar. Alguna información que se puede obtener de esta revisión inicial incluye lo siguiente:

1. Tamaño y geometría de las partes. 2. Materiales base y de soldadura que se van a utilizar. 3. Puntos de inspección o de espera requeridos. 4. Detalles de proceso y de fabricación. 5. Pruebas y ensayos no-destructivos. 6. Alcance y extensión de la inspección. 7. Criterios de aceptación y rechazo. 8. Requisitos de calificación del personal. 9. Requisitos de calificación de procedimientos de soldadura y soldadores. 10. Requerimientos de control de los materiales y partes.

2.4.1 WPS, PQR y WPQ. Los siguientes son documentos con los cuales debe estar familiarizado un inspector de soldadura son las Especificaciones de Procedimiento de Soldadura EPS (Welding Procedure Specification “WPS”), el Reporte de Calificación de Procedimiento RCP (Procedure Qulification Record – “PQR”) y el Reporte de Calificación de Soldadores RCS (Welder Performance Qualification - WPQ). Ver ANEXOS modelos de WPS y PQR Especificaciones de Procedimiento de Soldadura - EPS (WPS). Una especificación de un procedimiento de soldadura es un documento preparado por un departamento técnico o de ingeniería de la empresa, para dar instrucciones precisas al personal que ejecuta y al que inspecciona las soldaduras. Por ser un documento de ingeniería, es de obligatorio cumplimiento en todas sus partes por el personal de los diferentes departamentos de una empresa involucrados con la soldadura. Muchos factores contribuyen al resultado final de una operación de soldadura, bien sea que se trate de la unión de un acero al carbón con soldadura de electrodo manual ó de la unión de un material de una exótica súper aleación con soldadura de haz de electrones en vacío. Debido a esta amplia gama de variaciones, es siempre deseable y a menudo esencial que los elementos vitales asociados con la unión de juntas soldadas se describan con suficiente detalle para permitir una exacta reproducción de los mismos y un claro entendimiento de las prácticas propuestas. Por lo tanto, el propósito de una especificación de procedimiento de soldadura es el definir y documentar todos los detalles que se deben tener en cuenta al soldar materiales o partes específicas. Para cumplir eficientemente este propósito, las especificaciones de procedimiento de soldadura deben ser lo más concisas y claras posibles, sin detalles ni información superflua o innecesaria.



2.5 Discontinuidades En general, una discontinuidad se describe como una interrupción de la naturaleza uniforme de una parte. En soldadura, los tipos de discontinuidades con los que se trataran son aquellas tales como grietas, porosidad, socavados, fusión incompleta, etc. El conocimiento de estas discontinuidades es importante para el inspector de soldadura por varías razones. Primero, el inspector será solicitado para inspeccionar visualmente las soldaduras con el fin de determinar la presencia de cualquiera de estas discontinuidades. Si se descubren, el inspector debe ser capaz de describir su naturaleza, localización y extensión. Esta información será necesaria para determinar si la discontinuidad requiere o no reparación, de acuerdo con las especificaciones aplicables del trabajo. Antes de describir estas discontinuidades, es sumamente importante entender la diferencia entre una discontinuidad y un defecto. A menudo la gente usa equivocadamente los dos términos intercambiándolos. Mientras que una discontinuidad es algo que introduce una irregularidad en una estructura que de otro modo sería uniforme, un defecto es una discontinuidad específica que puede hacer inservible esa estructura para el propósito deseado. Es decir, un defecto es una discontinuidad de cierto tipo o una que ocurre en una magnitud suficientemente grande para volver el objeto o estructura particular inapropiado para el servicio esperado con base en los criterios del código aplicable. Para determinar si una discontinuidad particular es un defecto, debe haber alguna norma o especificación que defina los límites aceptables de esa discontinuidad. Cuando su tamaño o concentración excede estos límites se considera un defecto. Por lo tanto se puede pensar en un defecto como ‘una discontinuidad rechazable’. De modo que si al referirse a algo como un defecto está implícito que es rechazable y que requiera alguna acción adicional para llevarlo a los límites aceptables de un código en particular. La configuración de las discontinuidades se puede separar en dos grupos generales: lineales y no lineales. Las discontinuidades lineales tienen longitudes que son mucho mayores que su ancho. Las discontinuidades no lineales, por otro lado, tienen longitudes y anchos con dimensiones que son esencialmente las mismas. Cuando se presentan en una dirección perpendicular a los esfuerzos aplicados, una discontinuidad lineal usualmente representa una situación mucho más crítica que la de una discontinuidad de tipo no lineal, porque es más propensa a propagarse y causar la falla. Otra manera como la forma de una discontinuidad se relaciona con la condición crítica o su efecto en la integridad de una estructura, es la forma de sus extremos, es decir, la agudeza de los mismos. En general, entre más agudos los extremos de la discontinuidad, ésta será más crítica. Esto es, porque una discontinuidad aguda es más propensa a propagarse o crecer. De nuevo esto depende de su orientación con respecto a los esfuerzos aplicados. Frecuentemente se asocian discontinuidades lineales con extremos agudos. De manera que si hay una discontinuidad lineal que tiene un extremo agudo y que está en la dirección transversal de los esfuerzos aplicados, esto representa la situación más crítica de detrimento con respecto a la habilidad de ese miembro para soportar las cargas aplicadas. 2.5.1 Tipos de discontinuidades y defectos. A continuación se hará una breve descripción de algunas de las más comunes discontinuidades de la soldadura y el metal base encontrados durante las actividades



normales de inspección. Estas discontinuidades están listadas y definidas en el estándar AWS A3.O

1. Grietas (crack). 2. Fusión incompleta (incomplete fusion). 3. Penetración incompleta (incomplete penetration). 4. Inclusiones de escoria (Slag inclusion). Porosidad (pórosity). 5. Trozamientos o socavados (undercut). 6. Laminación (lamination). 7. Rasgado laminar (lamellar tear).

2.5.1.1 Grietas. La primera de las discontinuidades que se discutirán es la grieta que es la más crítica de todas, debido a su característica de ser lineal y tener extremos agudos, como se vio anteriormente. Las grietas se inician cuando la carga o el esfuerzo aplicado a un elemento excede la resistencia a la tensión. En otras palabras, es una condición de sobrecarga la que causa la grieta. El esfuerzo puede ocurrir durante, la soldadura o inmediatamente después, o cuando una carga es aplicada: Aunque la carga aplicada pueda no exceder la capacidad del elemento, la presencia de una entalla podría causar esfuerzos localizados en el punto de concentración que excederían la resistencia del material. En este caso, puede ocurrir agrietamiento en el punto de concentración de esfuerzos. 2.5.1.2 Fusión incompleta. La fusión incompleta puede ser el resultado de muchas condiciones o problemas. Probablemente la causa más común es la manipulación inapropiada del electrodo de soldadura por el soldador. Algunos procesos son más propensos a este problema porque no hay calor suficientemente concentrado para ocasionar la fusión adecuada del metal. Por ejemplo, cuando se usan GMAW con transferencia de corto circuito, el soldador se debe concentrar en dirigir el arco de soldadura a todos los sitios de la junta soldada donde se deba obtener fusión. 2.5.1.3 Penetración incompleta. La penetración incompleta es una discontinuidad asociada solo con soldaduras de ranura. Es una condición donde el metal de soldadura no entra completamente a través del espesor de !a junta cuando es requerida penetración completa por la especificación o norma. Su localización siempre es adyacente a la raíz de la soldadura. La mayoría de los códigos establecen límites en el grado y cantidad de la penetración incompleta permisible, y algunos códigos no permiten ningún tipo de junta con penetración incompleta. La penetración incompleta de la junta puede ser causada por las mismas condiciones que ocasionan la fusión incompleta, esto es, técnica inapropiada configuración inapropiada de la junta o excesiva contaminación. 2.5.1.4 Inclusiones. La definición de inclusión es: “Material sólido extraño atrapado, tal como escoria fundente, tungsteno u óxidos”, es decir, el término inclusión puede incluir categoría



metálicas y no metálicas. Las inclusiones de escoria como su nombre lo indica, son áreas dentro de la sección transversal de la soldadura o en su superficie donde la escoria fundida usada para proteger el metal queda mecánicamente atrapada dentro del metal solidificado. Esto puede resultar en una condición que debilita la capacidad de servicio del elemento. 2.5.1.5 Porosidad. AWS A3.0 define la porosidad como: discontinuidades en forma de cavidad formadas por gases atrapados durante la solidificación. Debido a su forma esférica característica, la porosidad es considerada normalmente como la discontinuidad menos severa. Sin embargo, en los casos en los que la soldadura forma parte de tanques o recipientes de presión que contienen un gas o un líquido, la porosidad puede ser considerada inaceptable debido a la posibilidad de ocasionar fugas. Existen diferentes tipos específicos de porosidad, dependiendo en general de su localización relativa o de la forma de los poros individuales. Estos tipos son porosidad agrupada (cluster porosity), porosidad aislada (scattered porosity), porosidad lineal (linear porosity) y porosidad vennicular (piping porosity). Una cavidad sencilla también se denomina como porosidad. En estos tipos de porosidad, las cavidades o bolsas de gas usualmente son de forma esférica. Sin embargo, en la porosidad vermicular las bolsas o cavidades de gas no son esféricas sino elongadas. Esté tipo de porosidad es la más crítica cuando se trata de recipientes para contener líquidos o gases, porque presenta una mayor posibilidad de fugas. La porosidad normalmente es causada por la presencia de humedad o contaminantes en la zona de soldadura, los cuales se descomponen y forman gases debido al calor. 2.5.1.6 Trozamientos o socavados. Son discontinuidades superficiales que ocurren en el metal base directamente adyacente a la soldadura. Es una condición en la cual el metal base ha sido fundido y retirado durante la operación de soldadura y había insuficiente metal de aporte depositado para llenar adecuadamente la depresión resultante. El resultado es una ranura lineal en el metal base que puede tener una configuración relativamente aguda. Dado que es una condición superficial, es particularmente nociva para aquellas estructuras que serán sujetas a cargas de fatiga. 2.5.1.7 Laminación. Esta es una discontinuidad particular del metal base. Resultan de la presencia de inclusiones no-metálicas que pueden ocurrir en el acero cuando es producido. Estas inclusiones son normalmente alguna forma de óxidos que son producidos cuando el acero todavía está fundido. Durante las subsiguientes operaciones de laminado, estas inclusiones pueden volverse alargadas y formar una hilera; si estas hileras son muy largas y tienen una forma aplanada se denominan laminaciones. Las laminaciones ocasionalmente se pueden ver durante el corte térmico, cuando el calor de la operación de corte puede ser suficiente para abrir las hileras aplanadas en los extremos cortados hasta un punto en que se pueden observar visualmente, las laminaciones pueden o no ser nocivas, dependiendo de la dirección en que se cargue la estructura. Si los esfuerzos actúan en el material en una dirección perpendicular a la laminación, ésta debilitará severamente la estructura. Pero laminaciones que están



orientadas paralelamente a los esfuerzos aplicados pueden no ocasionar ninguna preocupación. 2.5.1.8 Rasgaduras laminares. Es otra discontinuidad importante del metal base. Se describe como una fractura en el metal base con una orientación básicamente paralela a la superficie de laminado. Ocurren cuando hay altos esfuerzos en la dirección “Z” (dirección a través del espesor), frecuentemente resultantes de la contracción de la soldadura. La rasgadura siempre está dentro del metal base, usualmente afuera de la zona afectada por el calor y generalmente paralela a la línea de fusión. 2.6 Inspección y ensayos no-destructivos 2.6.1 La inspección visual. La inspección visual en la soldadura es la técnica más ampliamente usada y la más popular en soldadura. Esta técnica es más efectiva particularmente para la soldadura no crítica. Ella requiere menos tiempo que otros métodos de inspección y es menos cara. El inspector de la soldadura puede inspeccionar visualmente la soldadura a través del ciclo completo de producción. Existen tres divisiones principales para la inspección visual.

1. Inspección visual anterior a la soldadura: revisa todos los dibujos aplicables, especificaciones procedimientos, calificaciones del soldador, etc. Asegura que los materiales estén de acuerdo a las especificaciones. Verificar la preparación de los bordes. Verificar las dimensiones de cada ítem. Verificar las dimensiones de la ensambladura y su disposición.

2. Inspección visual durante la soldadura: asegura que se use el adecuado proceso de soldadura, método de aplicación, electrodo o metal de aporte. Determina si el equipo para soldar está en buenas condiciones y que si usa la corriente de soldadura y polaridad correctas. Determina que se mantengan las temperaturas de precalentamiento y entre los pases. Identifica y observa a los soldadores durante la soldadura. Determina que se mantengan las temperaturas entre los pases y que la limpieza entre los pases se haga de acuerdo al procedimiento o especificación.

3. Inspección visual después de la soldadura: las soldaduras deben hacerse de

acuerdo al tamaño especificado. El inspector debe verificar el tamaño de todas las soldaduras. Deberá revisarse la soldadura en busca de defectos, tales como alabeos o defectos en el metal base.

El inspector puede notar errores en la preparación de la soldadura, dimensiones, alineamiento, disposición, limpieza, procedimiento de soldadura, alabeo, acabado y manipuleo errado del marcado. El inspector puede detectar costras, fisuras, rebabas, escoria superficial, laminaciones, rugosidad, salpicaduras, cráteres, porosidad superficial, socavados, bajos rellenos, refuerzos excesivos, desalineamiento, golpes de arco, grietas y penetración inadecuada. La inspección visual no es confiable en las condiciones sub.-superficiales y deberá confiarse principalmente en el juicio de los inspectores sobre la capacidad real para soldar de los soldadores. Las grietas muy pequeñas y finas, pueden pasarse por alto y



pueden quedar cubiertas por el martilleo y golpeteo a medida que se remueve la escoria. 2.6.2 Inspección con líquidos penetrantes Es un método no-destructivo muy sensitivo para detectar discontinuidades (fallas) minúsculas, tales como: grietas, poros y porosidad, las cuales están abiertas hacia la superficie del material que está siendo inspeccionado. Este método puede ser aplicado a muchos materiales, tales como: metales ferrosos y no ferrosos, vidrio y plásticos. 2.6.2.1 Preparación. Uno de los aspectos más importantes de la inspección por líquidos penetrantes es la preparación de la pieza antes de que se aplique el penetrante. Se limpia completamente la superficie con un limpiador solvente, removiendo toda suciedad o películas. Existen dos tipos generales de líquidos penetrantes, que se describirán brevemente a continuación:

1. Penetrante de tipo de tinta visible: cuando se usan penetrantes tipos tintas visibles, los defectos se indican por la presencia de un color rojo, sobre la base blanca del revelador. La indicación es más grande que el defecto real. Por ello, aún los defectos pequeños pueden ser localizados. 2. Penetrante fluorescente: es casi idéntico a la técnica del penetrante tipo tinte. Existen dos diferencias básicas. El penetrante es fluorescente, y cuando se expone a la luz negra o ultravioleta, muestra un tipo de lectura fluorescente brillante. Esto facilita un mayor contraste que en los penetrantes visibles tipo tinte, así como una mayor sensibilidad. El examen se hace usando luz negra o ultravioleta. Las áreas sanas aparecen de color violeta fuerte, mientras que los defectos brillan con un color verde amarillento brillante. Una grieta aparece como una indicación de una línea continua. El ancho y el brillo de una indicación visible tipo tinte o fluorescente depende del tamaño de la grieta o defecto.

2.6.2.2 Aplicación. En el campo de la soldadura, la inspección por líquidos penetrantes se usa para detectar los defectos superficiales en las ensambladuras soldadas de aluminio, magnesia, y acero inoxidable. Este método es muy útil para ubicar fugas en todos los tipos de soldaduras. Las soldaduras en los recipientes a presión y para almacenamiento, así como en los ductos de la industria petrolera, son examinados por este método para detectar grietas superficiales y porosidad. Probablemente una de las aplicaciones más útiles de la inspección por penetrantes fluorescentes es la detección, de fugas en ensambladuras soldadas magnéticas y no magnéticas. 2.6.3 Inspección radiográfica. La Radiografía es un método de ensayo no-destructivo que usa la radiación invisible de rayos X o Gamma para examinar el interior de los materiales. El examen



radiográfico brinda un registro permanente tipo película de los defectos, el cual bajo condiciones normales es fácil de interpretar. Aunque éste es lento y caro, es un método positivo para detectar porosidades, inclusiones, grietas y huecos en el interior de las fundiciones, soldaduras y otras estructuras. Los rayos X (que son generados por el bombardeo electrónico de las fuentes de tungsteno) y los rayos Gamma (que son emitidos por elementos radioactivos) son radiaciones penetrantes cuya intensidad se modifica al pasar a través de un material. La cantidad de energía absorbida por un material depende de su espesor y densidad. Un metal pesado y denso, tal como el acero, absorberá más energía que un metal liviano del mismo espesor, tal como el aluminio. La energía no absorbida por el material causará la exposición de la película radiográfica. Estas áreas estarán oscuras cuando se revele la película y las áreas de la película expuestas a menos energía permanecerán más claras. Las áreas de material donde el espesor se ha modificado por las discontinuidades (tales como las porosidades o grietas) aparecerán con contorno oscuros en la película. Las inclusiones de baja densidad (tales como las escorias), aparecerán como áreas oscuras, mientras que las inclusiones de alta densidad (tales como el tungsteno) aparecerán como áreas más claras. Todas las discontinuidades son detectadas observando la forma y variaciones de la densidad en la película procesada. 2.6.3.1 Aplicación. La radiografía es probablemente el más popular de los métodos de ensayo no destructivo para localizar defectos sub.-superficiales. Esta se usa para inspeccionar las ensambladuras soldadas en todo tipo de materiales: acero, aluminio, magnesia, etc. La radiografía se usa en la industria de tuberías para asegurar la calidad adecuada de la soldadura. A menos que la soldadura sea defectuosa más allá de los límites, ésta no es removida de la línea. Esto representaría ahorros tanto en el tiempo de construcción de la línea como en los costos de los materiales. 2.6.4 Inspección ultrasónica. El examen ultrasónico no-destructivo de los ensambles soldados emplea la vibración mecánica similar a la onda de sonido, pero de mayor frecuencia. Un haz de energía ultrasónica es dirigido hacia la muestra a ser ensayada. Este haz viaja a través de un material teniendo sólo pocas pérdidas, excepto cuando es interceptada y reflejado por una discontinuidad (defectos o imperfección) o por un cambio en el material. El ensayo ultrasónico es capaz de encontrar discontinuidades superficiales o sub.-superficiales. Se usa la técnica de reflexión del pulso dé contacto ultrasónico. Un transductor electromagnético (dispositivo que convierte la energía eléctrica en energía mecánica) es excitado por un voltaje de alta frecuencia, el cual provoca que el cristal vibre mecánicamente. El probador de cristal se convierte en la fuente de vibraciones mecánicas ultrasónicas. Las vibraciones se transmiten al material de prueba a través de un fluido de unión, usualmente una película de aceite denominada enlazador. Cuando el pulso de las ondas ultrasónicas golpea una discontinuidad, el pulso es parcialmente reflejado y parte de su energía retorna al transductor. El transductor sirve ahora como receptor de la energía reflejada. La señal inicial o emisión principal, los ecos de retorno desde las discontinuidades y el eco de la superficie posterior del material de ensayo, se muestran todos por una traza en la pantalla de un osciloscopio de rayos catódicos. La pantalla es similar a la de un televisor.



2.6.4.1 Aplicación. El examen ultrasónico puede usarse para ensayar prácticamente todo metal o material. Su uso está restringido solamente o ensambladuras soldadas muy complejas. El proceso está aumentando en popularidad y es ampliamente usado.

3. DESCRIPCIÓN EXPERIMENTAL Al concluir la fundamentación teórica que necesita el proyecto, se procede a realizar la formulación de la descripción experimental el cual servirá de base y referencia para la planeación y ejecución del proyecto en todas sus etapas. El siguiente organigrama muestra de forma clara y concreta el desarrollo del experimento en toda su extensión.



TERMOGRAFIA EN

SOLDADURA

Formulación

Teórica

Radiación Infrarroja

Diseño Pruebas

Preliminares

Ensayos no Destructivos

Ejecución Pruebas

Preliminares

Análisis Pruebas

Preliminares

Adecuación y Diseño

Pruebas Finales

Recomendaciones

Ejecución Pruebas

Finales

Inspección por

E.N.D.

Inspección por Software

Therma CAM

RECOMENDACIONES

Inspección

Visual

Tintas Penetrantes

Radiografía

Industrial

Análisis

CONCLUSIONES

DISEÑO

EXPERIMENTAL

DETERMINACIÓN

MUESTRAL

Formulación

Hipótesis

Recolección

Datos

Aplicación Estadística

Basada en

Permite

Origina

Posteriormente

Se obtienen

Con las cuales se

Aplican

Análisis por

mediante

Se obtienen

Genera

Se hacen

Proponer

Con

Origina

Ultra sonido



El trabajo que se desarrollo tuvo unas etapas experimentales, las cuales fueron señalados anteriormente y serán descritos y detallados a continuación:

� Realizar la formulación teórica la cual esta fundamentada en la teoría de radiación infrarroja y en Ensayos No Destructivos (E.N.D), para tal caso se asistió a seminarios y cursos de capacitación tales como manejo de cámara termográfica que fue dictado por la misma Universidad Libre en el segundo semestre del año 2006 y un seminario – taller sobre calificación y certificación de inspectores de construcciones soldadas dirigido por la Asociación Colombiana de Soldadura y Ensayos No Destructivos (ACOSEND) realizado en el mes de Diciembre en el año 2006.

� Asistir a estas capacitaciones dan las herramientas suficientes para diseñar pruebas preliminares del proyecto.

� Contratar al señor Arturo Urrea Molina soldador profesional API – ASME, dichas pruebas se realizan bajo la supervisión y dirección del Ingeniero Jorge Rene Silva.

� Realizar el análisis de las tomas termográficas y se hacen algunas recomendaciones para las pruebas finales, dentro de las cuales es fijar el lente en el rango alto de temperatura para evitar errores de medición de la misma.

� Formular recomendaciones dadas por el grupo investigador y por el Soldador se adecuan y corrigen las condiciones del experimento para tener un rango de error muy bajo. Se dan como condiciones del experimento utilizar probetas de acero 1020 las cuales deben tener una junta a tope en V.

� Contactar al Soldador Arturo Urrea Molina para realizar las pruebas para su posterior análisis, el señor Urrea aconseja el uso de electrodos Zip 10T E6010 para los pases de raíz y relleno con un diámetro de 1/8” y E7018 con un diámetro de 3/32” para los pases de relleno y presentación, se cuenta con dos probetas para la prueba; una destinada a ser calificada y otra para inducirle la mayor cantidad de defectos posibles (faltas de fusión, escoria, socavados, poros); la primera probeta es la soldadura calificada y cuenta con 7 cordones. La probeta de soldadura no calificada tiene en su interior 5 cordones de soldadura. Al tiempo que se realiza la soldadura se van haciendo las tomas termográficas para su posterior análisis. Ver anexos para información pertinente a la realización de los cordones de soldadura.

� Ejecutar los E.N.D, los cuales son: Inspección Visual, Tintas Penetrantes, Radiografía Industrial bajo la dirección del Ingeniero Nelson Torres y por ultimo se estimaba ejecutar una prueba de ultra sonido que estaría bajo la supervisón del Ing. Juan Carlos Santiago, pero no fue posible realizar dichas pruebas debido a inconvenientes con el tamaño de las probetas y por ende se toma esto como una recomendación en el momento de la validación del proyecto, al mismo tiempo el Ing. Santiago recomienda que es suficiente con la Radiografía para revisar el estado de las soldaduras.

� Realizar el análisis de las probetas por medio del software Therma Cam Reporter.

� Realizar un contraste entre las diferentes técnicas de inspección mostrando la efectividad de la termográfia como examinador y posible calificador de uniones soldadas.

� Ejecutar un diseño del experimento basado en cálculos estadísticos para determinar el tamaño de muestra que se necesita según los datos obtenidos por la termografía, basados en la hipótesis formulada en el proyecto y dejando como variable el error admisible de la validación, para este procedimiento se contó con la valiosa ayuda del Phd. Alberto Sánchez de la Calle el cual fue un



gran colaborador para determinar estos resultados y generar el resultado final del proyecto para su validación.

4. RESULTADOS

Como ya se ha explicado en la descripción experimental el proyecto se basa en estudios de una unión soldada por medio de ensayos no destructivos, los cuales son: inspección visual, tintas penetrantes, radiografía industrial, ultra sonido y finalmente por método termográfico, los equipos, su procedimiento y posterior resultado y contraste se presentan a continuación. 4.1Inspección Visual 4.1.1 Instrumento Como su nombre lo indica este ensayo se realiza por medio visual aunque los inspectores en soldadura utilizan galgas especializadas las cuales miden los discontinuidades en la parte superficial de la soldadura, la universidad no cuenta con estos equipos, por lo tanto solo se utilizo la inspección puramente visual. 4.1.2 Procedimiento Para realizar este procedimiento se debe limpiar completamente la superficie librándola de escoria o suciedades que obstaculicen la libre inspección de la unión soldada. Posteriormente se realiza una evaluación detallada de los cordones de soldadura de presentación en las probetas y resaltar o señalar las discontinuidades o defectos que se encuentren a lo largo de esta.

Figura 3. Inspección Visual 4.1.3 Resultados Después de realizar el procedimiento adecuado para la inspección visual se resaltan unas zonas alrededor de los cordones de soldadura en las dos probetas que pueden



ser significativos, los cuales son identificados como socavados y brotes de escoria producto de chisporroteo los cuales son más evidentes en la probeta denominada de soldadura no calificada. 4.2Tintas Penetrantes 4.2.1 Instrumento El equipo de tintas penetrantes utilizado es un juego de spray para la realización del ensayo con tinta visible como se ilustra en la figura 4 el cual consta de:

� Limpiador � Penetrante � Revelador

Figura 4. Kit de tintas penetrantes con probetas

4.2.2 Procedimiento Para realizar la inspección por tintas penetrantes se deben seguir los siguientes pasos (ver figura 5):

� Limpiar completamente la superficie a evaluar, liberando de escoria y cualquier suciedad que afecte la posterior lectura de estas.

� Aplicar limpiador el spray limpiador sobre las probetas. � Aplicar el spray penetrante sobre la superficie de forma homogénea y dejar

reposar por 15 minutos. � Aplicar spray limpiador en la unión soldada � Aplicar spray revelador en la probeta � Evaluar resultados de la muestra

Figura 5. Procedimiento de ensayo por tintas penetrantes



4.2.3 Resultados Después de analizar el resultado obtenido por el ensayo y realizar algunas tomas fotográficas se puede resaltar que los cordones de presentación en general tienen un buen aspecto en su forma excepto que en el cordón de presentación de la probeta de soldadura no calificada se presentan algunos socavados a los cuales se les debe prestar bastante atención. Ver sección 1.5.1.6

Figura 6. Socavado en la probeta con Soldadura no Calificada 4.3 Radiografía Industrial 4.3.1 Instrumentos La radiografía industrial que se utiliza en este proyecto es por medio de rayos X, la universidad cuenta con un equipo ANDREX distribuido por RADIATION PRODUCTS AS, el cual puede trabajar con una corriente hasta de 8 mA y 300 Kv. Además se utilizan los siguientes equipos e insumos:

� Letras de plomo � Películas radiográficas � Indicadores de Calidad � Líquidos reveladores y fijadores � Laminas de plomo � Equipos de seguridad � Ábaco

Figura 7. Instrumento e insumos de radiografía industrial



4.3.2 Procedimiento La radiografía industrial debe ser realizada bajo las normas que contempla la norma API 1104 o el ASME capítulo V. Este ensayo debe seguir el siguiente procedimiento e ilustrado en la figura 8:

� Realizar marcación de la probeta. � Elegir indicador de calidad de imagen. � Indicar variables (distancia foco película, intensidad de corriente, voltaje,

tiempo de exposición) por medio del ábaco. � Calentar el equipo:

� Tiempo: 1 minuto � Corriente: 3 mA � Voltaje: 150 Kvp

� Realizar arreglo de la probeta para exposición. � Radiación

� Tiempo: 5 minutos � Corriente: 3 mA � Voltaje: 150 KVp

� Revelación de la película � Evaluación de la película irradiada

Figura 8. Procedimiento de inspección por radiografía industrial

4.3.3 Resultados Al obtener las películas radiográficas y realizar una correcta lectura de estas se puede encontrar una pequeña falta de fusión en la probeta de soldadura calificada la cual puede ser atribuida a problemas con los equipos de soldadura, pero no es del todo significativa, lo que indica que la soldadura posee una discontinuidad la cual no hace rechazable dicha probeta. En la probeta con soldadura no calificada es clara la falta de fusión, además se encuentran porosidades e incrustaciones de escoria las cuales pueden estar alojadas en el pase de relleno de la soldadura, por tanto está soldadura es totalmente rechazada, debido a que no es posible una reparación de la probeta. Estos resultados se pueden observar con mayor claridad a continuación:



4.3.3.1Probeta Calificada

Figura 9. Radiografía Probeta Soldadura Calificada

En el extremo A como se observa en la figura 9 encontramos una pequeña falta de fusión en el pase de raíz la cual puede ser catalogada como una discontinuidad y puede ser reparada sin mayor complicaciones repitiendo nuevamente el pase de raíz o realizando un pequeño cordón de reparación en el sitio de la discontinuidad. El pase de raíz tiene una muy buena apariencia y homogeneidad en su tamaño, los pases de relleno lucen homogéneos y de buen aspecto, lo cual hace de este una probeta apta para calificación. 4.3.3.2 Probeta Con Defectos Inducidos

Figura 10. Radiografía Probeta Soldadura con Defectos Inducidos En la figura anterior se indica la zona con falta de fusión cercana al extremo B, lo que puede hacer factible su reparación aunque su tamaño ya es considerable y se reconsideraría dicha reparación.

Figura 11. Radiografía Probeta Soldadura con Defectos Inducidos



En esta imagen 11 se señalan las zonas de porosidades y posibles incrustaciones de escoria a lo largo del cordón lo que hace completamente rechazable dicha presentación ya que se presentan en cantidad y en varias zonas del cordón y pasa de ser una discontinuidad a defecto. El pase de raíz no es tan homogéneo en su tamaño y su presentación no es buena, los cordones de presentación y relleno tienen un buen aspecto omitiendo los defectos ya mencionados. 4.3.3.3 Contraste En la figura 12 se observa el contraste de las probetas con soldadura calificada y con defectos inducidos observando claramente las diferencias y detalles señalados en las secciones anteriores. Se puede observar la radiografía de la probeta calificada en la parte superior y la probeta con defectos inducidos en la parte inferior de la figura.

Figura 12. Contraste Cordones de Soldadura 4.4 Ultra Sonido Después de dirigirse a personas especializadas en los ensayos por ultra sonido recomendaron no realizar esta prueba debido a las dimensiones de las probetas, es decir para realizar una buena y confiable inspección por este método es recomendable aumentar el tamaño de la probeta aproximadamente 10 cm. transversalmente al cordón de soldadura, debido a que con las dimensiones actuales de esta no arrojarían una lectura confiable de los defectos o discontinuidades que estas puedan contener, al mismo tiempo los especialistas indican que la lectura por el método de radiografía es lo suficientemente confiable para tener un criterio claro con respecto a las condiciones internas y externas de la unión soldada.



4.5 Termografía Industrial 4.5.1 Instrumento En la termografía industrial se utiliza principalmente la cámara termográfica la cual cuenta con una capacidad en su lente de visualizar imágenes que tienen una temperatura hasta de 500 ºC, además se usa una pistola de rayos infrarrojos la cual es utilizada para determinar la temperatura del cuerpo y así encontrar el momento justo de comenzar las tomas termograficas. Como equipo de apoyo se utiliza un reproductor de VHS y un televisor como medio de ayuda para verificar la correcta captura de las tomas termograficas y como medio de visualización de los posibles defectos al momento de las tomas sin tener la necesidad de ir al software (esto se hace cuando el cambio de temperatura es significativo).

Figura 13. Cámara Termográfica y Pistola Infrarroja 4.5.2 Procedimiento La inspección por termografía industrial se hace al tiempo que se va realizando la prueba de soldadura por lo tanto el procedimiento es el siguiente:

1. Calibrar los equipos 2. Realizar alistamiento de la probeta 3. Aplicar pase de raíz en la soldadura con su correspondiente limpieza 4. Medir la temperatura del cordón con la pistola infrarroja 5. Hacer tomas termográficas y sus visualizaciones en el televisor 6. Realizar pases de relleno con su correspondiente limpieza 7. Medir la temperatura del cordón con la pistola infrarroja 8. Hacer tomas termográficas y sus visualizaciones en el televisor 9. Realizar pases de presentación con su correspondiente limpieza 10. Medir la temperatura del cordón con la pistola infrarroja 11. Hacer tomas termográficas y sus visualizaciones en el televisor 12. Realizar análisis de las tomas por medio del software Therma Cam Reporter



Figura 14. Procedimiento por Termografía Industrial 3.5.3 Resultados Los resultados arrojados por el software Therma Cam Reporter son: 4.5.3.1 Análisis de Probeta con Soldadura Calificada

Figura 15. Análisis Pase de Raíz



En la imagen anterior se encuentra la presentación de los resultados individuales por toma realizada en la cámara, los colores fueron modificados para dar la apariencia de una radiografía, la imagen pertenece a una toma del pase de raíz analizado por líneas y por áreas. El gráfico ubicado debajo de la imagen termográfica corresponde al comportamiento de la temperatura a lo largo de las líneas, ubicadas a los extremos y en el centro del cordón. Se observa el comportamiento homogéneo de la temperatura de la soldadura con respecto a la temperatura de toda la probeta. El gráfico de barras corresponde al comportamiento de la temperatura por áreas, es decir evalúa y gráfica las temperaturas de los cuerpos ubicada dentro del área dibujada en el cuerpo, su comportamiento se nota muy estable y las temperaturas bien distribuidas. En la figura siguiente se analiza el pase de relleno en este se utilizaron 5 líneas, en la probeta un poco alejadas del cordón y otras 3 en los extremos de la soldadura y en el centro de la misma. La distribución de temperaturas tiene buen comportamiento ya que las temperaturas son muy homogéneas entre ellas.

Figura 16. Análisis Pase de Relleno



Figura 17 Análisis Pase de Presentación Al igual que en los dos anteriores pases, se evalúa el pase de presentación en la figura 17 esta figura muestra un buen comportamiento de las temperaturas entre si, lo que indica que no hay irregularidades en el cordón de la soldadura en sus tres pases. Cabe resaltar que el eje “Y” corresponde a la temperatura del cordón y el eje “X” señala las tomas realizadas a este. Al terminar las observaciones individuales de cada pase del cordón de soldadura se procede a examinar la totalidad de las tomas realizadas, como se muestra a continuación.



Figura 18 Comportamiento de los pases de la soldadura Al analizar el comportamiento de las temperaturas en la figura 18 se observa de manera más clara los resultados obtenidos. Existe un cambio brusco de temperatura en el pase de raíz que puede obedecer a la falta de fusión observada en la radiografía que como ya se ha mencionado, puede ser reparada sin mayor complicación. En el pase de relleno el cambio de temperatura obedece al tiempo de enfriamiento de la misma y no muestra ningún defecto como se mostrará en el proceso de análisis de la soldadura con defectos inducidos. Por ultimo el pase de presentación muestra el comportamiento más homogéneo de todos lo que indica la calidad del pase de presentación.



Figura 19. Comportamiento de la temperatura a lo largo del experimento Para finalizar el análisis individual de la probeta se procede a comparar el comportamiento de los tres pases tanto de las líneas como de las áreas evaluadas individualmente, se observa que la gráfica global es la suma de las gráficas de la evaluación de los pases observada en la figura 18 pero de forma más general, también se ratifica que tanto por líneas o por áreas el comportamiento de las temperaturas no sufren grandes variaciones y su confiabilidad es la misma. 4.5.3.2 Análisis de Probeta con Defectos Inducidos

Figura 20. Análisis Pase de Raíz



Al igual que la probeta anterior se procede a realizar un análisis individual de las tomas termográficas y en este caso se refiere al pase de raíz y al observar la gráfica de comportamiento de la temperatura (Figura 20) en donde se observa una variación bastante grande la temperatura encontrando picos altos y bajos y por ultimo un descenso significativo de la temperatura lo que indica la irregularidad del cordón.

Figura 21. Análisis Pase de Relleno Los resultados obtenidos en el pase de relleno (Figura 21) hablan por si solos, se encuentran nuevamente grandes variaciones de la temperatura asociados a irregularidades. En este tramo de la soldadura al igual que en el anterior, las temperaturas en este pase así como en el anterior son significativamente más altas (rangos de temperatura con diferencias de 100 ºC aproximadamente entre su punto más alto y su punto más bajo de temperatura) siendo este otro indicio de mal funcionamiento de la soldadura.

Figura 22. Análisis Pase de Presentación



Como ya es una constante en la probeta de soldadura con defectos inducidos se presentan variaciones de temperatura grandes y en esta caso es aun mayor ya que la diferencia de temperatura es de aproximadamente 200 ºC desde su punto más alto a su punto más bajo de temperatura lo que definitivamente indica problemas en el cordón de soldadura. El cuál se puede detallar en la figura 22.

Figura 23. Comportamiento de los pases de la soldadura

En este caso también se examina la totalidad de las tomas termográficas separadas en los pases de raíz, relleno y presentación. El pase de raíz muestra un cambio de temperatura lo que indica la presencia de algún defecto, en este caso se refiere a la falta de fusión que se encuentra en este sitio y la cual fue revelada en la radiografía. En el pase de relleno el comportamiento de la temperatura es completamente oscilante lo que indica la presencia de factores que impiden el buen comportamiento de esta y si se compara con la radiografía la cual es la fuente más confiable con la que cuenta este proyecto se puede señalar la presencia de los poros y las incrustaciones de escoria que posee. En el pase de presentación se encuentran discontinuidades en la temperatura bastante significativas lo que indica la mala realización de este cordón de soldadura.



Figura 24. Comportamiento de la temperatura a lo largo del experimento Para visualizar el comportamiento de la temperatura a lo largo de todo el experimento se unen los pases de la soldadura y se origina la grafica anterior la cual muestra la gran variación de esta e indica la presencia de factores tales como inclusiones de escoria que originan altas temperaturas y vacíos (porosidades) que conlleva una disminución de esta, en todos los pases la cual hace de la probeta una soldadura rechazable. 4.5.3.3 Comparación de las tomas termográficas Para ratificar los resultados se procede a realizar una comparación entre las probetas evaluadas. En la figura 25 se observan las gráficas de los pases de las dos probetas examinadas. En todos los casos la gráfica superior es la correspondiente a la soldadura calificada, de este modo es mucho más fácil encontrar las diferencias y así realizar un análisis convincente. El comportamiento más similar se encuentra en el pase de raíz ya que ambas cuentan con una discontinuidad definida, las cuales pueden llegar a ser reparadas. En el pase de relleno la diferencia es total debido a que en la soldadura calificada la variación de temperatura es de forma normal debido al enfriamiento de la probeta, pero en la soldadura con defectos inducidos la temperatura es totalmente variable lo cual nos indica la presencia de factores que descontrolan la temperatura del cuerpo. En el pase de presentación el comportamiento de la temperatura en el cordón calificado es excelente y se acepta por completo dicha soldadura, por otro lado el pase de presentación en la soldadura con defectos es totalmente diferente ya que presenta una temperatura muy fluctuante y por ende se rechaza dicha probeta.



Figura 25. Comparación de los pases de soldadura



Figura 26. Comparación de los cordones de soldadura

Finalmente en la imagen anterior se encuentra un breve resumen del comportamiento que tiene la probeta a lo largo de toda la prueba, el comportamiento irregular de la temperatura en la gráfica inferior demuestra que existe algún motivo por el cual la probeta no es homogénea lo que indica que existen discontinuidades o defectos que hacen variar de forma significativa la temperatura de la probeta, en la gráfica superior se observa un comportamiento muy homogéneo de la temperatura lo cual habla de la no existencia de factores que hagan variar la temperatura. Es decir que en los pases de raíz, relleno y presentación existen factores que influyen y hacen fluctuar de manera muy significativa las temperaturas de la probeta.



4.6 Contraste Al concluir todas las pruebas anteriormente mencionadas con su respectivo resultado se compara los resultados obtenidos en la siguiente tabla

Inspección Visual

Tintas Penetrantes

Radiografía Industrial

Termografía Industrial

Ligera falta de fusión N.A. Ligera falta de

fusión

Pequeño cambio de

temperatura Soldadura Calificada

Pase de Raíz Falta de fusión de tamaño

considerable

N.A.

Falta de fusión en

varias zonas del cordón

Aumento significativo de temperatura en

el cordón

Soldadura No Calificada

Buena Presentación N.A. Buena

Presentación

Comportamiento Homogéneo de la temperatura

Soldadura Calificada

Pase de Relleno Presencia de

posibles poros

N.A.

Presencia de poros e

incrustaciones de escoria

Variaciones constantes de

temperatura a lo largo del cordón


Socavados de menor

rango

Ligeros Socavados

en el cordón,

evidencia de presentación en forma de

hojuela

Tamaño homogéneo

del pase

Comportamiento Homogéneo de la temperatura

Soldadura Calificada

Pase de Presentación

Socavados y chisporroteo

Evidencia de tres

cordones de finalización en el pase,

socavados y chisporroteo

Tamaño homogéneo

del pase

Comportamiento irregular de temperatura


La tabla anterior nos indica de forma resumida la comparación de resultados entre las diferentes técnicas de inspección utilizadas. Como ya se ha mencionado las tintas penetrantes solo son utilizadas en el pase de presentación, dicha técnica muestra pequeños socavados los cuales pueden ser aceptables en la soldadura calificada, y algunos socavados sumados a chisporroteo en la soldadura con defectos inducidos los cuales deben ser evaluados de forma más estricta pero no lo hacen un factor rechazable pero si de cuidado. La inspección visual realizada a las probetas se evalúan durante y después de la soldadura dependiendo del pase a evaluar. Durante la soldadura se encuentran falta de fusión en los dos cordones los cuales son señalados tanto por los evaluadores como por el soldador, otra inspección realizada durante la soldadura es el pase de relleno en el cual la probeta de soldadura calificada no muestra ningún problema; al evaluar la probeta con defectos inducidos se observan pequeñas porosidades a lo largo del pase lo cual ya hace de este un cordón rechazable.



La técnica a la cual se le presta más atención debido a que se comporta como la base principal de contraste del experimento es la radiografía dirigida y supervisada por el Ingeniero Nelson Torres, dicha técnica arroja como resultado para la soldadura calificada una falta de fusión es su pase de raíz, también muestra un comportamiento normal y adecuado en el resto de los pases. La soldadura con defectos inducidos muestra la presencia de una discontinuidad la cual es una falta de fusión en el pase de raíz y varios defectos tales como poros e incrustaciones de escoria en sus otros pases lo que indica que es una probeta rechazada, ya que no puede ser reparada. Finalmente la termografía muestra un cambio de temperatura en el pase de raíz para la probeta calificada la cual indica la falta de fusión antes ya encontrada en la inspección visual y en la radiografía, el pase de relleno de la misma probeta muestra un fenómeno de enfriamiento perfectamente normal así como el pase de presentación, confirmando los resultados ya obtenidos con las otras técnicas de inspección. En la soldadura con defectos inducidos se encuentra un cambio de temperatura similar al encontrado en la probeta anterior indicando la falta de fusión previamente señalada, los resultados más significativos son observados en los dos pases siguientes y sobre todo en el pase de relleno ya que los cambios de temperatura son bastante evidentes lo que lo hace coincidente con los defectos mencionados en la radiografía; en el pase de presentación nuevamente se encuentran cambios bruscos de temperatura indicando y confirmando que esta probeta debe ser rechazada. Al realizar este contraste nuevamente se confirma el buen desempeño de la termografía aplicada a la industria ya que es capaz de encontrar de forma más directa, rápida, segura y confiable las discontinuidades así como los defectos encontrados en las soldaduras realizadas en este proyecto. En la figura siguiente se observa un contraste entre una radiografía y los resultados termográficos. Observando en ambas situaciones en la parte superior la soldadura calificada y en la inferior la soldadura con defectos inducidos.



Figura 27. Contraste Radiografía - Termografía



5. DISEÑO EXPERIMENTAL

Diseñar un experimento significa planear un experimento de modo que reúna la información pertinente al problema bajo investigación. El diseño de un experimento es la secuencia completa de pasos tomados de antemano para asegurar que los datos apropiados se obtendrán de modo que permitan un análisis objetivo que conduzca a deducciones válidas con respecto al problema establecido. Las etapas de un diseño de experimentos son:

� Enunciado o planteamiento del problema. � Formulación de hipótesis. � Formulación de los objetivos del diseño del experimento � Determinación de las fuentes de variación � Ejecución del experimento. � Extracción de conclusiones con medidas de la confiabilidad de las

estimaciones generadas. 5.1 Planteamiento del problema Se está interesado en saber si en la “variable de interés” influye el “factor” en estudio. Esto es, se quiere contrastar si la media de los resultados obtenidos en los diferentes ensayos no destructivos arrojan resultados similares entre estos. Variable de interés: Influencia de la temperatura y emisividad en la determinación de un defecto Factor: Probetas en las que se realiza el montaje. El factor en estudio tiene 2 niveles 5.2 Hipótesis Las dos muestras son muestras aleatorias simples de las correspondientes poblaciones. La productividad de las dos probetas tiene la misma varianza. La productividad de las dos probetas sigue una distribución normal. 5.3 Objetivos 5.3.1 Objetivo general Fundamentar el diseño experimental para la validación de la técnica de termografía en inspección de soldaduras. 5.3.2 Objetivos específicos

� Determinar defectos inducidos en soldaduras por medio de inspecciones no destructivas, comparadas con las tomas obtenidas por la cámara termográfica.

� Estudiar la temperatura y la emisividad de la soldadura como variables a analizar, así como los factores que afectan estas variables.

� Desarrollar un experimento piloto, el cual debe proporcionar información necesaria y confiable para determinar el tamaño muestral del proyecto.



� Analizar y considerar los resultados desde los procedimientos técnicos y estadísticos que se apliquen con el fin de asegurar que satisfagan las condiciones necesarias para validar este procedimiento.

5.4 Fuentes de variación Una fuente de variación es cualquier “cosa” que pueda generar variabilidad en la respuesta. Estas fuentes se clasifican según los factores y estos pueden ser: Factores tratamiento: Son las fuentes cuyo efecto sobre la respuesta es de particular interés. Estos factores pueden ser calificados como cuantitativos o cualitativos. Factores “Nuisance”: Son las fuentes que no son de interés directo pero que se contemplan en el diseño para reducir la variabilidad no planificada. Para determinar las fuentes de variación es necesario determinar la unidad experimental en la cual se evalúa la variable respuesta y al que se le aplican los distintos niveles de los factores tratamiento. En el proyecto que se está realizando la unidad experimental es: la probeta de soldadura y también se puede considerar el tiempo como unidad experimental. Después de especificar la unidad experimental se procede a realizar la identificación de las variables con sus respectivos factores. FACTOR VARIABLE TIPO Tratamiento Temperatura Planificada y sistemática Nuisance Equipo de soldadura Planificada y sistemática Nuisance Electrodo Planificada y sistemática 5.5 Ejecución del experimento El proyecto fue ejecutado y tratado bajo las condiciones expuestas a lo largo de este documento con sus respectivos resultados, los cuales fueron contrastados en la sección inmediatamente anterior.



� Datos del experimento

OBSERVACIONES PROBETAS DE SOLDADURA 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 TOTALES PROMEDIOS

SOLDADURA CALIFICADA 125 99 129 329 407 359 339 161 156 156 173 156 140 2729 209,9230769 SOLDADURA NO

CALIFICADA 108 107 209 461 435 406 333 369 350 321 342 263 356 4060 312,3076923

6789 261,1153846

� Comprobación de los cuadrados Se le llama cuadrado a la variabilidad de los datos, en los cuales se incluye los datos arrojado por el tratamiento, y el error que este puede tener. Basándonos en los siguientes datos se desarrollan las formulas que se muestran a continuación.

α 0,01 N 26 n 13

SST 354340,6538 SSTRATAMIENTO 68136,96154 SSE 286203,6923

∑∑= =

−=

a

I

n

j

ijTotalN

yySS

1 1

22 ∑

=

−=

a

i

iosTratamient

N

y

n

ySS

1

22

osTratamientTotalE SSSSSS −=



� Tabla de análisis de varianza para los datos

FUENTE DE VARIACIÓN SUMA DE CUADRADOS

GRADOS DE LIBERTAD CUADRADO MEDIO fo

Efecto de la temperatura 68136,96154 1 68136,96154 Error 286203,6923 24 11925,15385 Total 354340,6538 25

5,71371761

� Determinación de la hipótesis nula De tablas que indican los valores de puntos porcentuales de la distribución F se encuentra: Debido a que fo es un valor menor al extraído en las tablas de distribución se concluye que la hipótesis nula es verdadera, por tanto la hipótesis expuesta anteriormente es completamente razonable.

� Determinación de la muestra Para determinar el tamaño de muestra es importante definir la variable tipificada que se extrae de tablas de distribuciones normales estándar y es denominado por Zα/2, también la desviación estándar σ y finalmente el error máximo permisible E. Al determinar estas variables se desarrolla la siguiente formula:

2

2/ *

=

E

Zn

σα



Para la determinación y posterior comprobación de este diseño experimental se realiza la siguiente tabla en la que se relacionan los tamaños muéstrales variando con el porcentaje de error admisible, tomando como límite un porcentaje del 25%.

Zα/2 σ E n 0,013 119,0530392 5% 958 0,013 119,0530392 10% 240 0,013 119,0530392 15% 106 0,013 119,0530392 20% 60 0,013 119,0530392 25% 38

5.6 Conclusiones Después de realizar todo los pasos pertinentes a la elaboración de un diseño experimental y basándose en las medidas de confiabilidad que se han obtenido mediante la reproducción de este diseño por el método de elementos completamente aleatorizados con un solo factor de varianzas y tomando en cuenta los datos experimentales obtenidos podemos concluir que la temperatura es un factor fundamental en la detección de discontinuidades y defectos en las uniones soldadas. Para comprobar completamente esta hipótesis es importante realizar la reproducción de este experimento con un valor mínimo del 25% de error admisible debido a que un porcentaje mayor haría las muestras y el experimento poco confiable.

6. RECOMENDACIONES Al finalizar las pruebas y lo correspondiente al diseño experimental cabe hacer unas recomendaciones a nivel practico para un mejor funcionamiento del proyecto. La más importante es aumentar la capacidad del lente ya que con la capacidad actual de este nos puede privar de información aun más significativa con la que actualmente contamos; también es importante indicar el cambio de las dimensiones de la probeta para realizar el ensayo por ultrasonido ya que con las actuales es imposible hacer este tipo de trabajo; es importante analizar y recomendar la adquisición de un equipo de galgas que facilite la inspección visual de las uniones soldadas, por ultimo debemos recomendar que para la homologación y certificación de este proyecto seria bueno manejar niveles de confiabilidad en cuanto al error en este proyecto no inferiores al 25%. Después de todo lo anteriormente expuesto es completamente comprobable la hipótesis que se formulo a lo largo del proyecto y muestra que la teoría de radiación infrarroja es una salida adecuada para nuevas propuestas de ensayos no destructivos para soldaduras.

7. CONCLUSIONES

Al finalizar todos los pasos formulados en el diseñó experimental y llevar acabo las pruebas con sus procedimientos apropiados y realizar el análisis de las resultados arrojados por las diferentes técnicas de inspección se puede concluir la efectividad que posee la termografía como una nueva técnica de inspección de uniones soldadas. Para esto se realizaron pruebas individuales y diferentes contrastes arrojando resultados similares en todas las técnicas utilizadas, con el fin de descartar posible variables o diferencias entre técnicas de inspección y así responder la inquietud que



se formulo hace unos años atrás el Ingeniero Jorge Rene Silva sobre si ¿es posible identificar irregularidades en la soldadura por medio de tomas termográficas y posteriormente analizarlas en un software especializado y así dar origen a una nueva técnica de inspección de soldaduras? Es razonable considerar que a la mayoría de personas especializadas en diferentes técnicas de inspección desconfíen de la termografía, pero esta hipótesis ya dejo de serlo y se ha convertido en una realidad la cual debe ser cada vez mejorada hasta llegar al punto de validación con su respectiva homologación, preferiblemente bajo el visto bueno y aprobación de alguna norma internacional, tal y como se espera sea el resultado final de este proyecto.

8. BIBLIOGRAFIA

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