iaceros estructural aisi 1020 y 1045
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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
ACEROS ESTRUCTURAL AISI 1020 Y 1045”
RONALD EDGAR VEGA CASTILLO
COD. 200920740XX
JONATHAN CASTELLANOS VARELA
COD. 20092074100
ANTEPROYECTO
PREVIA OBTENCIÓN DEL TITULO DE:
TECNÓLOGO MECÁNICO
PRESENTADO A:
PROYECTO CURRICULAR DE TECNOLOGÍA MECÁNICA
UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSÉ DE CALDAS
FACULTAD TECNOLÓGICA
PROYECTO CURRICULAR TECNOLOGÍA EN MECÁNICA
BOGOTA D.C. - COLOMBIA
2012
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TABLA DE CONTENIDO
1. INTRODUCCIÓN……....................................................................................5
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA………….…………………..………….6
3. ESTADO DEL ARTE……………………………….…………………………….6
4. JUSTIFICACIÓN……………………………………………………………..….12
5. OBJETIVOS…………………………………………………………….………..12
5.1 OBJETIVO GENERAL……………………………………………………..12
5.2 OBJETIVO ESPECIFICO………………………………….……………….12
6. MARCO TEÓRICO……………………………………………….……………..13
6.1 ULTRASONIDO…………………………………………………….……….13
6.1.1 CARACTERÍSTICAS Y GENERALIDADES………….………….14
6.1.2 PRINCIPIO FÍSICO Y OPERACIÓN………………….…….……..15
6.1.3 NATURALEZA Y PROPIEDADES DE LAS ONDAS
ULTRASÓNICAS……………………………………………………16
6.1.4 PROPAGACIÓN DE LAS ONDAS ULTRASÓNICAS EN
DIVERSOS MEDIOS…………………………………………..……17
6.1.5 PARÁMETROS DE LA ONDAS ULTRASÓNICAS……….…….20
6.1.6 UNIDADES FÍSICAS…………………………………..……………20
6.1.6.1 FRECUENCIA, LONGITUD DE ONDA Y VELOCIDAD
ACÚSTICA………………………………………………..….21
6.1.6.2 IMPEDANCIA ACÚSTICA………………………………….22
6.1.6.3 PRESIÓN ACÚSTICA………………………………………23
6.1.6.4 ENERGÍA ACÚSTICA ESPECIFICA……………..……….23
6.1.6.5 INTENSIDAD ACÚSTICA……………………………….….23
6.1.6.6 AMPLITUD MÁXIMA DE OSCILACIÓN……………...…..24
6.1.7 APLICACIÓN PRACTICA DEL ULTRASONIDO………………..24
6.1.7.1 TIPOS DE DEFECTOS: SU FLUENCIA……………….....25
6.1.8 CARACTERIZACIÓN DE DISCONTINUIDADES………….……27
6.1.8.1 INCLUSIÓN DE TUNGSTENO……………………….……32
6.1.8.2 SOLDADURA INCOMPLETA EN LA GARGANTA…….33
6.1.8.3 INCLUSIÓN DE ESCORIA……………………………..….34
6.1.8.4 FALTA DE FUSIÓN…………………………………….…..35
6.1.8.5 CONCAVIDAD EN LA RAÍZ………………..……………..36
6.1.8.6 GRIETA EN LA RAÍZ……………………………………….37
6.1.8.7 PENETRACIÓN INCOMPLETA……………………………38
6.1.8.8 PORO SIMPLE……………………………………………....39
6.1.8.9 POROSIDAD…………………………………………….…..40
4
6.1.8.10 CARÁCTER EN LA LÍNEA CENTRAL DEL
CORDÓN DE SOLDADURA…………………………...…..41
6.1.8.11 DESALINEAMIENTO……………………………...………..42
6.1.8.12 SOBREPENETRACION O PENETRACIÓN
EXCESIVA…………………………………………..…...…..43
6.1.8.13 PENETRACIÓN INCOMPLETA EN V DOBLE…………..44
6.2 SOLDADURA POR ARCO……………………………..………………….45
6.2.1 PROCESO POR SOLDADURA POR ARCO ELÉCTRICO…….45
6.2.1.1 COMPONENTES DE UN CIRCUITO DE
SOLDADURA POR ARCO ELÉCTRICO ………………..45
6.2.1.2 PARTES DEL EQUIPO……………………………..………46
6.2.1.3 PRINCIPIO DEL ARCO ELÉCTRICO…………….………46
6.2.2 POLARIDAD…………………………………………………...…….47
6.2.2.1 POLARIDAD DIRECTA O NORMAL……………………..47
6.2.2.2 POLARIDAD INDIRECTA………………………..………..47
6.2.3 ELECTRODOS………………………………………………………47
6.2.3.1 ELECTRODO REVESTIDO………………….……………..47
6.2.3.2 CLASIFICACIÓN……………………………………………50
6.3 ACEROS ESTRUCTURALES………………………………………….…50
6.3.1 ACERO AISI 1020……………………………………………..……51
6.3.1.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA…………………………………51
6.3.1.2 PROPIEDADES MECÁNICAS…………………..…………51
6.3.1.3 TRATAMIENTOS TÉRMICOS……………….…………….52
6.3.1.4 USOS……………………………………………………….…52
6.3.2 ACERO AISI 1045…………………………………………….……..52
6.3.2.1 COMPOSICIÓN QUÍMICA…………………………………53
6.3.2.2 PROPIEDADES MECÁNICAS……………………………..53
6.3.2.3 TRATAMIENTOS TÉRMICOS……………………………..53
6.3.2.4 USOS……………………………………………….…………53
7. METODOLOGÍA………………………………………………………………...54
8. CRONOGRAMA………………………………………………………….……..55
9. PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN……….……………….56
9.1 RECURSOS NATURALES……………………………………….……….56
9.2 RECURSOS HUMANOS……………………………………………..……56
9.3 RECURSOS ECONÓMICOS…………………………………….………..56
10. BIBLIOGRAFÍA…………………………………………………………..……..57
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1. INTRODUCCIÓN
Eficiencia y calidad son términos comunes hoy en día, que nos permitirán
demostrar en nuestro futuro profesional y laboral, acciones que pueden optimizar
procesos, analizar características comunes de falla en materiales dadas algunas
veces por imperfecciones mecánicas, fundición, procesos de manufactura
(soldadura) o procesos de diseño y poder realizar análisis que pueden prevenir,
predecir anomalías en la pieza salvando a la maquina, y al proceso de producción
que este puede generar en una empresa que depende de ella.
De estos análisis que pueden prevenir acciones indeseadas al operario y al
productor, existen pruebas de ensayo no destructivas como el ultrasonido que
generan un futuro mantenimiento predictivo que permiten establecer el estado de
la pieza. Aquí nos ocuparemos del análisis en las uniones soldadas en aceros
comunes dándonos a conocer una confiabilidad en la calidad de la soldadura,
detectando situaciones comunes como porosidades, acabados imperfectos, vacíos
en la soldadura, etc. que podrían afectar el uso de trabajo de la pieza.
por este motivo el análisis por ultrasonido se presta como medio de estudio para
los materiales que puede identificar más características que en las pruebas de
ensayo normales; además de que la Universidad Distrital Francisco José De
Caldas en la Facultad de Tecnología e Ingeniería Mecánica cuenta con un aparato
moderno de última tecnología que accederá a la elaboración de este gran trabajo
de tesis de grado, permitiéndonos identificar estas nuevas características en estos
materiales dados por procesos de experimentación e investigación que permitirán
cumplir nuestros objetivos.
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2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Según lo mencionado en nuestro objetivo nuestros logros serán realizar la
inspección, prueba y ensayo no destructivo placas de acero 1020 y 1040 al
realizarle una unión por soldadura de arco revestido para cada una de estas.
Para así determinar posible fallas o discontinuidades ya sean por el material desde
su creación o fundición, o cuando se realizo el proceso de soldadura a la pieza.
3. ESTADO DEL ARTE
Durante los últimos años el trabajo de investigación, dirigido al desarrollo en la
industria de la construcción y el diseño de piezas mecánicas en acero ha
alcanzado a la creación de técnicas analíticas tecnológicas para el control de
criterios de calidad al acero, que permitan al desarrollo o perfeccionamiento de
propiedades en los materiales ya existentes, y que respondan a exigencias que
se aplican en la vida laboral.
Para el éxito de esta investigación al análisis o diagnostico por ultrasonido a
uniones soldadas en aceros nos basaremos de normas, conceptos y ensayos
elaborados para tener buenas bases de conocimiento técnico y específico para
logras los objetivos establecidos. Para esto realizamos una búsqueda a nivel
institucional, empresas en Colombia, universidades o centros de investigación a
nivel de América y a nivel mundial para comprender la inmensidad de estudios
acerca de nuestro tema. Lo cual nos llevo a identificar que:
En la Universidad Distrital Francisco José De Caldas solo hay una referencia de
un artículo publicado por la revista TECNURA (Tecnología y Cultura Afirmando el
Conocimiento) Universidad Francisco José de Caldas, llamado fundamentos
teórico prácticos de ultrasonido Vol. 10, no. 20 (ene. - jun. 2007). Página(s) 04-
18. Por Martínez Rodríguez, Jairo Alejandro Vitola Oyaca, Jaime Sandoval
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Cantos, Susana del Pilar que involucra el tema de diferentes tecnologías que se
basan en ultrasonido. En el presente artículo se hace una revisión conceptual de
diversos aspectos básicos que deben ser comprendidos por cualquier persona que
desee incursionar en este campo.
En Colombia universidades como la Universidad Nacional tienen registros de
trabajos de investigación sobre:
Caracterización de discontinuidades en uniones soldadas mediante la
técnica no destructiva del ultrasonido por Marco Antonio Pardo Carrasco,
Alvaro Camilo Polo Canro; Director Juan Hernando Reyes Pacheco y el Curso
teórico práctico de capacitación en ultrasonido con énfasis en la inspección
de uniones soldadas y la medición de espesores por Juan Hernando Reyes
Pacheco.
Además, nos damos cuenta de que en la Universidad Santo Tomas hay
registros como: Validación del funcionamiento de un sistema de
ultrasonido para la detección de defectos en soldaduras Callejas Mancipe,
Jorge Enrique.
Ultrasound and elastic waves frequently asked questions Lempriere, Brian
M.
Como detectar grietas en el concreto por medio del ultrasonido González
Piñeros, Jairo Orlando.
Y que, en la Universidad Pedagógica Y Tecnológica De Colombia (UPTC) hay
registros de estudios acerca de nuestro tema pero la mas actual es la tesis de
ingeniería en metalurgia llamada Inspección por radiografía industrial y
ultrasonido en uniones soldadas en gasoductos en la empresa IMC
(Inspección, Mantenimiento y Construcción) por el autor Plinio De La Cruz
Escorcia Alvarez.
Igualmente, hay empresas que aplican estos conocimientos como: PAVCO, IMC
(Inspección, Mantenimiento y Construcción), COTECMAR, ECOPETROL,
TECNICONTROL S.A, CERREJÓN, CIDEGAS S.A, INDUSTRIAS ASTIVIK S.A.,
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ACERIAS PAZ DEL RIO S.A, CONTROLTEC LTDA, OCENSA (Oleoducto Central
S.A), COMDISTRAL S.A., SOLDADURAS MEGRIWELD, FENOCO (Ferrocarriles
Del Norte De Colombia), ESTRUMETAL, entre otras. A la par, existen normas
establecidas por INCONTEC como NTC 4327 basada en la soldadura en acero -
bloque de calibración no. 2 para examen ultrasónico de soldaduras y la NTC 4328
que trata de las soldaduras en acero - bloques de referencia para la calibración de
equipo para examen por ultrasonido.
Estas normas se ocupan de establecer las dimensiones, el tipo de acero y las
directrices para el uso del bloque no. 2 con el propósito de calibrar el equipo
ultrasónico para el examen de soldaduras en acero; y existen, centros de
investigación basados en el estudio de ensayos no destructivos como la
ACOSEND (Asociación Colombiana de Soldadura y Ensayos No Destructivos)
En toda América se ve mucha la aplicación del análisis por ultrasonido en uniones
soldadas y existen tesis que basan este conocimiento como:
Caracterización de defectos en uniones soldadas utilizando el método de
ultrasonido por Alex Leonardo Tenemaza Ramos de la Escuela Superior
Politécnica De Chimbazo Riobamba-Ecuador 2009, inspección por ultrasonido
de uniones de acero estructural soldadas en ángulo por Enrique A. Palacios
Johnson de la Escuela Superior Politécnica Del Litoral de Guayaquil-Ecuador 1987
y centros de investigación como NDT (www.ndt-ed.org/index_flash.htm), Este sitio
fue diseñado para ser una fuente completa de información y materiales para
ensayos no destructivos y la educación técnica. La AWS (American Welding
society) se especializan en este campo de innovación, creación y desarrollo de
tecnologías para lograr una optimización en el desarrollo y la inspección de calidad
en la maquina ultrasónica.
Y por último, encontramos que a nivel mundial todos estos procesos de inspección
y evaluación están regidos bajo normas importantes como:
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Normas ISO:
ISO 2400:2012 Las soldaduras de acero - Bloque de referencia para la calibración
de los equipos para el examen ultrasónico (Establece material y las dimensiones
del bloque de referencia. Las tolerancias en todas las dimensiones son 0,1 mm).
ISO / TS 11774:2011 Ensayos no destructivos - basado en el desempeño
calificación (proporciona un método para la calificación de los ensayos no
destructivos (NDT) el personal, procedimientos y equipos específicos para
ensayos no destructivos realizados de acuerdo con los procedimientos
documentados establecidos dentro de un programa de capacitación basado en el
desempeño).
ISO 9712:2005 Ensayos no destructivos - Calificación y certificación del personal
(especifica la calificación y certificación del personal que participa en los ensayos
no destructivos (END)).
Normas API:
API-1104 (welding of pipelines and related facilities) criterios de aceptación -
ensayos no destructivos, (design and preparation of a joint for production welding,
inspection and testing of production welds, acceptance standards for
nondestructive testing) El diseño y los preparativos de union para la producción de
soldadura, inspección y prueba de producción de soldaduras, los estándares de
aprobación para la prueba de no destructivas.
Normas ASTM:
E1316 - 11b Terminología estándar para los exámenes no destructivos
E1212 - 09 Práctica Estándar para Sistemas de Gestión de Calidad para Agencias
de ensayos no destructivos
E1359 - 09 Guía estándar para la evaluación de las capacidades de los
organismos de ensayos no destructivos
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E114-10 Práctica estándar para ultrasonidos Pulso-Eco Testing Contacto Directo
Beam
E164-08 Práctica Estándar para Pruebas de contacto ultrasónica de soldaduras
E317-11 Práctica estándar para evaluar las características de rendimiento de
instrumentos de prueba ultrasónicos pulso-eco y Sistemas sin el uso de
instrumentos de medición electrónicos
E494-10 Práctica estándar para medir la velocidad ultrasónica en Materiales
E1961-11 Práctica Estándar para Pruebas de mecanizado por ultrasonidos de
soldaduras circunferenciales.
E2001-08 Guía estándar para la espectroscopia de resonancia de ultrasonido para
la detección de defectos en piezas metálicas y no metálicas.
E2700-09 Práctica Estándar para Pruebas de contacto ultrasónica de soldaduras
mediante arreglos de fase.
E1962-09 Práctica estándar para la prueba de ultrasonido de superficie mediante
el transductor acústico electromagnético (EMAT) Técnicas.
E2375-08 Práctica estándar para la prueba ultrasónica de productos forjados.
E2491-08 Guía estándar para las características de Instrumentos de Evaluación
de disposición en fase de pruebas ultrasónicas y Sistemas.
E2663- 11 Práctica estándar para la imagen digital y la Comunicación en la
evaluación no destructiva (DICONDE) para los métodos de prueba de
ultrasonidos.
Normas ASME: en la sección 5 del artículo IV al V.
Norma AWS D1.1 que es el Código de Soldadura Estructural en Acero que
contiene temas como (Procedimientos del NDT contenido de los Ensayos,
Discontinuidades de Las soldaduras), etc.
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Además, a nivel mundial para el análisis e inspección de ultrasonido estas normas
están aprobadas por el ICNDT (Comité internacional de ensayos no destructivos)
ya que, es una organización dedicada al desarrollo internacional de la ciencia y la
práctica de Ensayos No Destructivos en conjunto.
Con todas esta documentación obtendremos un amplio conocimiento que creara
en nosotros una buena especialización de este tema para lograr establecer el
buen manejo, control y análisis del diagnostico por ultrasonido. Además para tener
un amplio conocimiento de la maquina que nos permitirá realizar nuestra meta nos
basaremos de manuales y textos que expliquen su funcionamiento como el
manual de operación de la maquina USM 35X Nº ident. 48 001 de la General
Electric, y una fuente base como es el libro Curso teórico práctico de capacitación
en ultrasonido con énfasis en la inspección de uniones soldadas y la medición de
espesores.
Esto nos llevara a determinar factores que pueden alargar la vida útil de trabajo de
un material, así como también mejorar las características metalografías, procesos
de mecanizado, análisis de falla, etc.
Además, Los generadores ultrasónicos modernos producen grandes frecuencias
convirtiendo corrientes eléctricas alternas en movimientos oscilaciones mecánicos.
La detección y medida de ondas ultrasónicas se lleva a cabo fundamentalmente
mediante receptores piezoeléctricos. La utilización del control por ultrasonido para
la obtención de las características mecánicas, está basada en las velocidades de
propagación de las ondas sonoras.
En base en lo expuesto anteriormente, el objetivo que nos hemos planteado es el
de dar a conocer técnicas de Ultrasonido aplicadas a los materiales como el acero,
afín de que tenga una herramienta confiable y rápida en la obtención de materiales
que cumplan con las características mecánicas deseadas.
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4. JUSTIFICACIÓN
El propósito de este proyecto es motivar la investigación de procesos no
destructivos por medio de análisis ultrasónico y servir como guía de ayuda para
profesionales, técnicos y estudiantes, en el cual se desarrollara la interpretación y
caracterización de la inspección ultrasónica en las uniones soldadas.
Para ello se llevara a cabo un análisis de los principales defectos en las uniones
soldadas, para luego construir una serie de probetas patrón que contengan los
defectos mas comunes.
Y con ello se desarrollara el estudio planteado que permita establecer las
diferentes indicaciones obtenidas en el equipo de ultrasonido y que ayude a crear
una guía que facilite el proceso de identificación de dichos defectos.
5. OBJETIVOS
5.1 OBJETIVO GENERAL
Desarrollar una guía para la identificación y caracterización de señales
ultrasónicas producidas por defectos pare uniones soldadas en aceros.
5.2 OBJETIVO ESPECÍFICOS
Analizar los principales defectos que se pueden encontrar en las uniones soldadas
y sus causas mas comunes
Realizar una inspección ultrasónica en juntas soldadas para los aceros mas
comunes
Establecer correcciones y mejoramientos en el proceso de soldadura
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6. MARCO TEÓRICO
6.1 ULTRASONIDO
El método del ultrasonido en la ingeniería es utilizado para el ensayo de los
materiales, es una técnica de ensayo no destructivo (END) y tiene diversas
aplicaciones, en especial para conocer el interior de un material o sus
componentes según la trayectoria de la propagación de las ondas sonoras, al
procesar las señales de las ondas sonoras se conoce el comportamiento de las
mismas durante su propagación en el interior de la pieza y que dependen de las
discontinuidades del material examinado, lo que permite evaluar aquella
discontinuidad acerca de su forma, tamaño, orientación, debido que la
discontinuidad opone resistencia (conocida como impedancia acústica) al paso de
una onda. Las ondas pueden ser sónicas comprendidas en el intervalo de
frecuencias entre 20 y 500 kHz y las ultrasónicos con frecuencias superiores a 500
kHz.
En el método ultrasónico se utilizan instrumentos que transmiten ondas con ciertos
intervalos de frecuencia y se aplican para detectar defectos como poros, fisuras,
también para conocer las propiedades básicas de los líquidos y sólidos como la
composición, estructura.
El análisis de los materiales mediante ultrasonido se basa en el principio físico: El
movimiento de una onda acústica, sabido es que la onda acústica es afectada por
el medio a través del cual viaja y se distinguen los siguientes tipos: onda
longitudinal, transversal y superficial (Rayleigh), según se muestra en la Figura 1,
debido a ello ocurren los cambios asociados con el paso de una onda sonora de
alta frecuencia a través de un material en uno o más de los cuatro parámetros
siguientes: tiempo de tránsito, atenuación, reflexión y frecuencia. Estos
parámetros a menudo pueden estar correlacionados con los cambios de las
propiedades físicas, dureza, módulo de elasticidad, densidad, homogeneidad,
estructura y grano del material.
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6.1.1Características y generalidades
En el campo de los ensayos no destructivos, el ultrasonido es una de las técnicas
de inspección de mayor aplicación en la actualidad.
Al principio de los años 50 solo era conocida la técnica radiográfica (rayos X o
isotopos radioactivos) como un método para la detección de fallas internas
además de las técnicas no destructivas utilizadas para inspeccionar la superficie
de los materiales (líquidos penetrantes, partículas magnéticas). Después de la
segunda guerra mundial el método ultrasónico tuvo un desarrollo rápido y muy
pronto los instrumentos ultrasónicos fueron utilizados para la inspección de los
materiales.
Las principales ventajas de este método son:
Elevada sensibilidad de detención.
Poca dependencia de la geometría de la pieza, bastado en la generalidad
de los cascos, el acceso a una sola de las caras.
Posibilidad de inspeccionar volumétricamente el material, aun tratándose de
grandes espesores, del orden hasta un metro en metales.
Rapidez de la inspección y resultado inmediato.
Utilización de aparatos manuales y de poco peso.
Muy poco gasto en materiales de consumo y energía eléctrica.
Posibilidad de utilizar el mismo equipo en distintos tipos de examen como,
detección de defectos y medición de espesores.
Ausencia de riesgos para el operador y el personal circundante.
Las desventajas de este método son:
Pueden existir limitaciones en sus uso ya sea por la naturaleza del material,
el tipo de estructura interna, las condiciones de la superficie, la geometría,
etc.
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Para el ensayo ultrasónico es necesario un mayor entrenamiento del
operador con respecto al requerido para otros ensayos, como el
radiográfico.
La interpretación correcta de la información obtenida presenta una mayor
dificultad.
6.1.2 Principio físico y operación
La técnica ultrasónica esta basada en el hecho de que los materiales solidos son
buenos conductores de las ondas acústicas, por lo cual las ondas ultrasónicas, no
solo se reflejan en las interfaces, sino que también lo hacen en las
discontinuidades internas (separación del material, inclusiones, etc). El efecto de
la interacion de las ondas acústicas con los materiales es mejor cuando se tienen
longitudes de onda muy pequeñas, lo cual se traduce en altas frecuencias de
estas. Esto implica que las ondas ultrasónicas deban ser usadas en un rango de
frecuencias entre 0.5 MHz y 25 MHZ obteniéndose magnitudes de milímetros para
la longitud de onda.
Limitándose a las pruebas en los objetos para determinar posibles
discontinuidades en los materiales, mediante la inspección ultrasónica se puede
detectar, ubicar, evaluar y hacer un diagnostico de los defectos encontrados.
En la detección de discontinuidades la principal herramienta de la técnica
ultrasónica es el palpador o sonda, figura 6.1.
Figura 6.1. Tipos principales de palpadores.
El elemento piezoeléctrico (oscilador) del palpador se excita por una descarga
eléctrica sumamente corta y transmite un pulso ultrasónico. El mismo elemento
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por otro lado genera una señal eléctrica cuando recibe una señal ultrasónica,
causando así su oscilación.
El palpador se coloca sobre la superficie del objeto den prueba, aplicando entre
estos un liquido acoplante con el propósito de que las ondas acústicas puedan ser
transmitidas al material, luego el inspector ultrasónico examina el objeto de
prueba, moviendo el palpador a través de toda la superficie, mientras observa en
la pantalla del quipo (osciloscopio), las posibles señales causadas por las
reflexiones del haz en discontinuidades internas.
En la figura 5.2 se muestra la forma en la cual a través de ondas ultrasónicas se
pueden detectar discontinuidades presentes en el interior de los materiales.
Figura 6.2. Detención de discontinuidades a través de ondas.
6.1.3 Naturaleza y propiedades de las ondas ultrasónicas
Las ondas ultrasónicas son ondas acústicas de idéntica naturaleza que las ondas
sónicas, las cuales operan a una frecuencia por encima de la zona audible del
espectro acústico (figura 6.3). En dicho espectro se observan las tres bandas
siguientes:
Infrasonica: f < 16 Hz
Sónica (audible): 16 Hz < f < 20 kHz (el que una onda sea audible depende,
además de su frecuencia, de su intensidad).
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Ultrasónica: f > 20 kHz, el límite superior de frecuencia no esta definido
físicamente, este depende en la práctica de la posibilidad de su generación
y recepción.
Las frecuencias utilizadas en los ensayos ultrasónicos, comienzan en la
proximidad de la zona audible (ensayo de hormigones) y se extiende hasta los 25
MHz. En el caso especifico de los materiales metálicos las frecuencias varían
entre 0.5 MHz y 25 MHz.
Figura 6.3. El espectro acústico.
6.1.4 Propagación de las ondas ultrasónicas en diversos medios
El péndulo resorte, mostrado en la figura 6.4, es un modelo representativo de una
oscilación elástica de una partícula de material. La naturaleza de esa oscilación es
sinusoidal si la fuerza suministrada por el resorte aumenta proporcionalmente con
el desplazamiento. Esta fuerza se conoce como fuerza elástica.
Figura 6.4. Oscilación de un péndulo de resorte.
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A fin de facilitar el estudio de la propagación del ultrasonido en los solidos se
puede utilizar un modelo constituido por esferas unidas entre si por resortes como
se indica en la figura 6.5; si se imprime un desplazamiento longitudinal a la
primera esfera del modelo esta transmitirá su desplazamiento a la segunda esfera
a través del resorte y así sucesivamente se transmitirá el desplazamiento inicial a
lo largo de la cadena de esferas debido ala vinculo elástico del resorte.
Figura 6.5. Modelo de vibración lineal.
Con el ultrasonido ocurre algo semejante al incidir la onda ultrasónica
normalmente a la superficie la compresión mecánica produce el desplazamiento
longitudinal de las partículas y la propagación de la perturbación en forma de onda
longitudinal.
Para un tratamiento mas completo puede considerarse un modelo en dos
dimensiones (figura 6.6), en el cual la propagación del desplazamiento aplicado a
la primera esfera esta influenciado no solo por los elementos dispuestos en
sentido longitudinal sino también por los dispuestos en sentido transversal. En el
caso de la propagación del ultrasonido se debe considerar también, como en el
último modelo, la influencia de las partículas adyacentes en el sentido transversal.
Figura 6.6. Modelo de vibración bidimensional.
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Supóngase que se excitan colectivamente todas las partículas del borde izquierdo
del modelo según una oscilación sinusoidal (ver figura 6.7), de manera que todas
las del primer plano oscilen con la misma amplitud y la misma frecuencia. Las
fuerzas elásticas transmitirán las oscilaciones a las partículas del segundo plano,
las cuales, a su vez, transmitirán el movimiento vibratorio al tercer plano y así
sucesivamente.
Figura 6.7. Modos de excitación.
Si todos los puntos estuvieran interconectados rígidamente, iniciarían su
movimiento simultáneamente y permanecerían constantemente en el mismo
estado de movimiento, es decir, en la misma fase. No es esta el caso de un
material elástico; el movimiento requiere un cierto tiempo para seguir transmitido y
los planos sucesivos alcanzaran el movimiento con retardo de fase en relación con
los primeramente excitados.
El modelo de péndulo de resorte, mostrado en la figura 6.4, no puede aplicarse a
líquidos o gases, ya que las partículas individuales no están sujetas a una posición
con relación a las restantes, sino que son libres. No obstante los líquidos y gases
ofrecen cierta resistencia cuando son comprimidos o expandidos, tal como ocurre,
por ejemplo, en una bomba de aire. Por lo tanto pueden transmitir ondas elásticas,
interpretando fácilmente, la propagación de estas ondas en un fluido sise tiene en
cuenta que las moléculas de las zonas comprimidas trataran de llenar los vacíos
de las zonas inmediatas que se encuentran descomprimidas a fin de restablecer el
equilibrio perturbado y lograr la igualdad de presión en todas las direcciones del
fluido, en las zonas comprimidas y descomprimidas, se puede comparar en cierta
aproximación.
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6.1.5 Parámetros de las ondas ultrasónicas
Para poder entender y describir el comportamiento de las ondas ultrasónicas, es
necesario definir los siguientes parámetros.
Frecuencia, es el numero de oscilaciones por segundo de una partícula dada,
dentro de una misma onda esta es igual para todas las partículas que participen
en la vibración, su magnitud esta dada por el generador del ultrasonido, el cual se
puede elegir arbitrariamente.
Longitud de onda, es la distancia entre dos planos en los que las
partículas se encuentran en el mismo estado de movimiento, por ejemplo
dos zonas de compresión,
Velocidad acústica, es la velocidad de propagación de la onda para una
condición dada. Esta velocidad es una característica de l material y en
general, es constante para un material dado, independientemente de la
frecuencia y de la longitud de onda.
Amplitud de la oscilación, es el desplazamiento máximo de una partícula
desde su posición cero o de equilibrio.
Velocidad instantánea de vibración, es la propia de la partícula en su
movimiento oscilatorio.
Presión acústica, esta presente no solo en los gases sino también en los
líquidos y solidos y el mayor valor de esta, que la onda alcanza, se conoce
como amplitud de la presión acústica y esta íntimamente ligada con la
amplitud de la oscilación.
6.1.6 Unidades físicas
Existe una dependencia entre las propiedades de las ondas y las características
del material transmisor. La siguiente lista define las cantidades más
frecuentemente usadas, sus símbolos y unidades.
ω Frecuencia angular rad/s
ƒ Frecuencia Hz = S-1
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λ Longitud de onda m
ε Desplazamiento de la partícula m
Α Amplitud máxima de oscilación m
C Velocidad acústica m/s
v Velocidad de la partícula m/s
V Velocidad máxima de vibración m/s
ρ Densidad del material Kg/m3
F Fuerza N
P Presión acústica Pa
μ Modulo de poisson
E Modulo de elasticidad N/m2
G Modulo de rigidez N/m2
Z Impedancia acústica Ns/m3
p Potencia acústica W
I Intensidad acustica W/m2
6.1.6.1 Frecuencia, longitud de onda y velocidad acústica
La siguiente relación entre la velocidad del sonido, la longitud de onda y la
frecuencia, es valida para toda clase de ondas:
En un lugar de las unidades Hertz y metro, usualmente se usan sus múltiplos MHz
y mm para la frecuencia y la longitud de onda respectivamente.
En la tabla 6.1 se muestran los valores de longitud de onda en el acero y el agua
en el rango de frecuencias de 0.5 a 10 MHz.
Frecuencia MHz
Longitud de onda en el acero (mm) Longitud de onda
en el agua (mm)
C = 1.5 Km/s
Ondas
longitudinales
CL = 5.9 Km/s
Ondas
transversales
Ct = 3.2 Km/s
22
0.5 12 6.5 3
1 6 3 1.5
2 3 1.6 0.8
4 1.5 0.8 0.4
6 1 0.6 0.25
10 0.6 0.3 0.15
Tabla 6.1. Valores de longitud de onda para el acero y el agua en función de la frecuencia.
6.1.6.2 Impedancia acústica (Z)
El producto de la densidad y la velocidad de propagación del sonido se denomina
impedancia acústica y se representa por:
La impedancia acústica es una resistencia que se opone a la vibración de la onda.
Si un medio posee una impedancia baja, sus elementos de masa vibraran a gran
velocidad, con solo un pequeño cambio de presión acústica; es decir el medio
ofrecerá poca resistencia a las deformaciones elásticas causadas por la onda. Si
por el contrario, la impedancia es elevada, sus elementos de masa vibrarán
lentamente, aunque la presión acústica sea elevada, ya que el medio ofrece gran
resistencia a las deformaciones elásticas. Refiriéndose al modelo del péndulo de
resorte, el primer caso corresponderá a una masa pequeña sujeta a un resorte con
un valor de contante elástica mayor. Es importante aclarar que la impedancia se
opone a ala vibración de los elementos de masa, pero no a la propagación de la
onda. Ya que la impedancia acústica es función de dos propiedades (la densidad y
la velocidad acústica), entonces es también una constante para cada material.
La impedancia en los cuerpos solidos es en general mayor que en los líquidos y,
en estos mayor que en los gases.
23
6.1.6.3 Presión acústica
La presión acústica, y la amplitud máxima de oscilación están relacionadas por:
De esta formula se deduce que para las ondas longitudinales, la presión acústica
como fuerza por unidad de superficie normal al frente de la onda y, para las ondas
transversales, la fuerza cortante por unidad de superficie paralela al frente de la
onda.
6.1.6.4 Energía acústica especifica
La propagación de una onda se caracteriza por un transporte de energía y no de
masa. La energía presente en la unidad de volumen del medio (que avanza con la
velocidad acústica) se denomina energía específica Ee de la onda y se expresa:
[ ]
La energía específica es pues proporcional al cuadrado de la amplitud de la
presión acústica.
6.1.6.5 Intensidad acústica
Es la cantidad de energía que pasa por unidad de área en la unidad de tiempo.
Viene dada por el producto de la energía específica y la velocidad acústica:
Es importante la relación entre la energía específica Ee y la intensidad acústica I
con la presión acústica, ya que la altura de la indicación de un eco, en la pantalla
del oscilograma de un equipo de impulso-eco, es proporcional a la presión
acústica.
24
6.1.6.6 Amplitud máxima de oscilación
De las ecuaciones antes mostradas se puede deducir:
√
Expresión de la que se puede obtener una idea de los valores que se presentan
en la práctica. Así por ejemplo, en el aire, con densidad y velocidad
acústica de 330 m/s, solo se alcanza un valor de de 10% para intensidades
acústicas de , que son los valores mas altos alcanzados hasta el
presente y solo en periodos muy breves.
Con estas intensidades, las amplitudes son mucho menores en los líquidos y en
los solidos. Por ejemplo en el agua seria de 0.04% de la longitud de onda.
En los ensayos no destructivos de materiales, una intensidad de , que es
un valor considerado alto, solo genera una amplitud del orden de dos millones de
la longitud de onda.
6.1.7 Aplicación práctica del ultrasonido
El empleo de los ultrasonidos va dirigido a su aplicación en el campo de la
tecnología industrial: la inspección y ensayo de los materiales, elementos y
componentes de sistemas, que requieren reunir unas condiciones optimas de
resistencia y seguridad, según los fines que deban cumplir. Se trata de materiales
cuya aceptación esta regida por normas muy concretas y severas a las que deben
supeditarse para ofrecer las máximas garantías en su cometido y funcionamiento.
La inspección de tales materiales parte de los procesos iniciales de su fabricación
y termina en los productos acabados. Se presenta así la necesidad de inspección
en fábrica, o a pie de obra, y posteriormente en las instalaciones donde son
usadas: industrias metalúrgicas, químicas. Petroquímicas, energéticas, navales,
aeronáuticas, etc. Uno de los fines que se persigue con el ensayo por ultrasonido
es la detección de aquellos defectos, discontinuidades y anomalías, de carácter
25
interno especialmente que signifiquen una causa que pueda llegar a disminuir las
características mecánicas del material hasta llegar a límites peligrosos. En esas
condiciones el material será rechazado.
6.1.7.1 Tipos de defectos: su influencia
Los métodos de inspección por ultrasonido permiten detectar la presencia de
defectos y su localización pero en ciertas ocasiones surge la dificultad de
interpretación de acuerdo con la representación obtenida en la pantalla y que
obedece a la variadísima forma en que se pueden presentar en el material algunos
defectos y también la orientación de los mismos. A continuación se describen
algunos de los principales defectos encontrados en productos siderúrgicos y la
frecuencia de trabajo más recomendable para su detención.
1. Barras: copos, líneas de inclusiones, cavidades e inclusiones, frecuencia: 3
MHZ.
2. Materiales planos: análogamente ala caso anterior. Frecuencia: 4 MHz.
3. Palanquillas: mimos caso. Frecuencia: 2 MHz.
4. Chapas: dobladura (hoja o laminación) y los mismos anteriores. Frecuencia
variable según dimensiones de la chapa.
5. Piezas de forja: los mismos defectos citados en 1, 2 y 3. Frecuencia: 3
MHz para dimensiones mayores de 200 mm.
6. Redondos y cilíndricos forjados: rechupes residuales (2 MHz) y gritas
superficiales transversales (4 MHz); grietas superficiales longitudinales (con
palpadores angulares y análoga frecuencia).
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
26
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.
27
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
28
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
29
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
30
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.
31
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).
32
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
45
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)
46
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
47
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
48
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
49
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.
51
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
Fuente: http://www.ferraceros.com.co/Productos/Carbono1020.htm
6.3.1.2 Propiedades mecánicas
Esfuerzo De Fluencia Mpa
Esfuerzo Máximo
Mpa
Modulo De Elasticidad
Gpa
Elongación En %
Reducción De Área %
Dureza Brinell
205 380 205 25 50 126 Tabla XXX. Propiedades mecánicas AISI 1020
Fuente: http://www.sumiteccr.com/Aplicaciones/Articulos/pdfs/AISI%201020.pdf
52
6.3.1.3 Tratamientos térmicos
Se puede cementar para aumentarle la resistencia al desgaste y su dureza
mientras que el núcleo se mantiene tenaz. Se puede recocer a 870 °C y su dureza
puede alcanzar los 111 HB, mientras que con normalizado alcanza los 131 HB.
Forjado °C Recocido °C Temple °C
1120 - 1290 850 - 900 No se logar incremento significativo en la dureza Tabla XXX. Tratamiento térmico AISI 1020.
Fuente: http://www.ferraceros.com.co/Productos/Carbono1020.htm
6.3.1.4 Usos
Se utiliza mucho en la condición de cementado donde la resistencia al desgaste y
el tener un núcleo tenaz es importante. Se puede utilizar para ejes de secciones
grandes y que no estén muy esforzados. Otros usos incluyen engranes
ligeramente esforzados con endurecimiento superficial, pines endurecidos
superficialmente, piñones, cadenas, tornillos, componentes de maquinaria,
prensas y levas.
6.3.2 ACERO AISI 1045
Se clasifica entre los aceros al carbón templables, es el 1045 el más versátil.
Utilizado en aplicaciones en donde se requiere soportar esfuerzos por encima de
los 600 MPa. O en el caso de diámetros mayores, en donde se necesite una
superficie con dureza media, 30 a 40 Rc, y un centro tenaz. Aunque su
maquinabilidad no es muy buena, se mejora con el estirado en frio; además con
este acabado se vuelve ideal para flechas, tornillos, etc., de resistencia media.
6.3.2.1 Composición química
%C %si %Mn %P %S
0.43 0.15 – 0.35 0.60 – 0.90 0.04 max 0.05 max Tabla XXX. Composición química AISI 1045
Fuente: file:///F:/Nueva%20carpeta/AISI%20SAE%201045.htm
53
6.3.2.2 Propiedades mecánicas
Resistencia A La Tracción
Mpa
Limite De Fluencia
Mpa
Alargamiento %
Reducción De Área
%
Dureza Brinell
Maquinabilidad 1212 EF=100%
630 530 12 35 179 55 Tabla XXX. Propiedades mecánicas AISI 1045.
Fuente: file:///F:/Nueva%20carpeta/AISI%20SAE%201045.htm
6.3.2.3 Tratamientos térmicos
Se da normalizado a 900 °C y recocido a 790 °C.
Forjado Normalizado Templado Revenido
1050 - 1200 870 - 890 830 - 860 300 - 670 Tabla XXX. Tratamiento térmico AISI 1045
Fuente: file:///F:/Nueva%20carpeta/AISI%20SAE%201045.htm
6.3.2.4 Usos
Los usos principales para este acero es piñones, cuñas, ejes, tornillos, partes de
maquinaria, herramientas agrícolas y remaches.
54
7 METODOLOGÍA
La finalidad de este proyecto como ya está definido es deducir y elaborar un
proceso de inspección no destructivo al acero 1020 y 1040 y realizar los siguientes
procedimientos.
Con esto, lo primero será obtener la materia prima de un proveedor confiable, se
hará el proceso de preparación de las placas para realizar la unión.
Para obtener buenos resultados de nuestro ensayo, realizaremos una soldadura
por nosotros mismos a las placas y otra por una persona experta en el uso de la
soldadura; con el objetivo de identificar las diferentes formas de trabajo a piezas
mecánicas que puedan determinar factores de confiabilidad, uso, calidad de
trabajo en la soldadura elaborada.
Luego las probetas (placas ya soldadas) serán sometidas a un proceso de pulido y
lijado superficial sobre la soldadura para proceder a la inspección. Durante la
prueba la información dada por la maquina determinara si la soldadura es de
buena o mala calidad dados por los estándares de las normas a las cuales nos
guiaremos para la inspección.
55
8 CRONOGRAMA
El cronograma de actividades puede verse modificado a causas de improvistos
durante el desarrollo del proyecto.
FASE TAREAS MES 1 MES2 MES3 MES4
FASE DOCUMENTAL Recopilación de
información relacionada con ultrasonido
Viabilidad del proyecto con base y apoyo en el desarrollo del trabajo
FASE EXPERIMENTAL Se preparan las placas
para realizar las pruebas
Se realiza la soldadura
por EL METODO DE TIG a las placas del material
Se toman las pruebas
para el estudio y análisis ultrasónico.
FASE DE ANÁLISIS DE RESULTADOS
Elaboración de formatos para la recopilación de
datos
Recopilación de los
resultados de las pruebas
Comparación y análisis
de resultados
FASE DE ELABORACIÓN DE PRODUCTOS FINALES
Desarrollo de INFORME TIPO ARTICULO
56
9 PRESUPUESTO Y FUENTES DE FINANCIACIÓN
9.1 RECURSOS MATERIALES
La universidad distrital cuenta con un laboratorio- taller de soldadura en el que se
encuentra a disposición de los estudiantes, un equipo de ultrasonido (USM 35X) y
el equipo de soldadura tipo TIG.
9.2 RECURSOS HUMANOS
El trabajo de grado nos permite aplicar los conocimientos adquiridos durante el
tiempo transcurrido de la carrera, lo que nos permite dejar algo útil y funcional a la
sociedad; por lo anterior gran parte del material humano corresponderá a nosotros
como investigadores, también al tutor que nos guiara en el proceso de la
construcción del proyecto, igualmente, se tendrá el apoyo y asesoría de personal
calificado como los docentes e ingenieros del área de materiales, tratamientos y
metalografía de la Universidad Distrital.
9.3 RECURSOS ECONOMICOS
La mayor parte de los gastos que se tendrán durante el proceso del desarrollo del
trabajo de grado será cubierto por nosotros mismos puestos que los costos no son
muy altos.
57
10 BIBLIOGRAFÍA
ANGIE VYANNEY DEL PILAR CALDERON PERALTA. “desarrollo de un sistema
de detección de defectos por ultrasonido en soldadura MIG”. Universidad de
Pamplona,Colombia,(2011).
<http://materialesup.files.wordpress.com/2012/02/anteproyecto-angie.pdf>
PLINO DE LA CRUZ ESCORIA, Universidad Pedagógica y Tecnológica de
Colombia (inspección por radiografía industrial y ultrasonido en uniones soldadas
en gasoductos en la empresa IMC (Inspección, Mantenimiento y Construcción),
escuela de metalurgia y ciencias de materiales, facultad de ingeniería, (2001).
REYES PACHECO JUAN HERNANDO; curso teórico práctico de capacitación en
ultrasonido con énfasis en la inspección de uniones soldadas y la medición de
espesores. (Ultrasonido y sus aplicaciones) Universidad Nacional de Colombia,
(Noviembre 20 de 2001).
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