MANUAL DEL CURSO
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Temario
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1.0 INTRODUCCION INTRODUCCIÓN A LA CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA Y DE SOLDADORES
2.0 CAPITULO I TERMINOLOGIA TECNICA Y DE INGENIERIA
2.1 Metalurgia 2.1.1 Metal 2.1.2 Aleación 2.1.3 Acero 2.1.4 Colada (Heat) 2.1.5 Solidificación 2.1.6 Macro estructura 2.1.7 Micro estructura 2.1.8 Tratamiento Térmico
2.2 Mecánica 2.2.1 Estructura Metálica 2.2.2 Habilitado 2.2.3 Ensamble 2.2.4 Prefabricado 2.2.5 Montaje 2.2.6 Planos
2.3 Calidad 2.3.1 Calidad 2.3.2 Aseguramiento de Calidad 2.3.3 Control de Calidad 2.3.4 Supervisor de Calidad 2.3.5 Inspector de Calidad Pág. 4
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2.3.6 Inspector certificado de calidad 2.3.7 Standard 2.3.8 Código
2.4 Soldadura 2.4.1 Soldadura 2.4.2 Deposito metálico de soldadura 2.4.3 Zona afectada por el calor (ZAC) 2.4.4 Proceso 2.4.5 Material Base 2.4.6 Material de Aporte 2.4.7 Tipo de junta 2.4.8 Tipo de soldadura
3.0 CAPITULO II PROPIEDADES DE LOS METALES
3.1 Propiedades Mecánicas 3.1.1 Resistencia 3.1.2 Elasticidad 3.1.3 Plasticidad 3.1.4 Fragilidad 3.1.5 Tenacidad 3.1.6 Dureza 3.1.7 Ductilidad 3.1.8 Maleabilidad 3.1.9 Resilencia o Cedencia
3.2 Propiedades Metalúrgicas 3.2.1 Estructura Cristalina 3.2.2 Fases Metálicas Pág. 5
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3.2.3 Continuidad Metálica 3.2.4 Cristalización 3.2.5 Re cristalización 3.2.6 Grano 3.2.7 Límite de borde de grano
3.3 Propiedades térmicas 3.3.1 Temperatura 3.3.2 Calor 3.3.3 Expansión Térmica 3.3.4 Conductividad Térmica
3.4 Propiedades eléctricas 3.4.1 Resistividad 3.4.2 Conductividad 3.4.3 Magnetismo
3.5 Propiedades químicas 3.5.1 Solubilidad química 3.5.2 Punto de Fusión 3.5.3 Punto de Ebullición 3.5.4 Oxidación 3.5.5 Resistencia a la corrosión
4.0 CAPITULO III STANDARDS, CODIGOS
4.1 Que es un Standard 4.2 Que es un Código 4.3 Que es una práctica recomendada 4.4 Como se interpreta un standard
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4.5 Para qué sirve un standard 4.6 Quienes la pueden emplear 4.7 Standards principales
5.0 CAPITULO IV CALIFICACION DE PROCEDIMIENTO DE SOLDADURA
5.1 Generalidades 5.2 Especificación del Procedimiento de Soldadura EPS (WPS) 5.3 Registro de Calificación del Procedimiento RCP (PQR) 5.4 Tiempo de validez del procedimiento Calificado 5.5 Uso de otros Procedimientos Calificados de Soldadura
6.0 CAPITULO V CALIFICACION DE DESEMPEÑO DE SOLDADORES
6.1 Generalidades 6.2
El soldador actor principal
6.3
Objetivo de la Calificación
6.4
Que debe conocer de la calificación
6.5
Como enfrentar una calificación
7.0 CAPITULO VI FORMACION PERSONAL
7.1 Que se espera alcanzar con este curso? 7.2 Que he aprendido con este curso? 7.3 Qué más puedo aprender? 7.4 Qué más puedo aspirar?
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INTRODUCCIÓN A LA CALIFICACIÓN DE PROCEDIMIENTOS DE SOLDADURA Y DE SOLDADORES
Introducción
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Todos los Ingenieros y técnicos mecánicos, metalurgistas, industriales, civiles o electricistas estamos íntimamente ligados con los materiales que empleamos en cada obra que participamos. El material más empleado en nuestro trabajo es el Acero, con el cual podemos fabricar estructuras y elementos estructurales, construir tanques, tuberías, reactores, etc.; de tal manera que es necesario conocer muy bien las propiedades y características del comportamiento del acero.
Antiguamente, hace unos 80 a 100 años, la fabricación en acero se desarrollaba de una manera muy incipiente. Cada fábrica de acuerdo a su experticia programaba su trabajo más en función a la experiencia de su personal que a un programa lógico de fabricación, que garantizara el producto final en condiciones de uso y con una calidad reconocida por la industria en general. Cada fábrica tenía especificaciones técnicas, diseños, planos y metodologías de trabajo diferentes para un mismo elemento estructural y/o reactor. Eso originaba que los programas de mantenimiento sean casi perpetuos con la fábrica y que otros elementos no podían ser empleados en el mantenimiento del mismo. Para regularizar y uniformizar las fabricaciones, los grandes organismos mundiales establecieron Standards, con la finalidad de corregir esta desviación de las empresas en cuanto a tener diseños, especificaciones y métodos de trabajo particulares. Una de las principales disciplinas técnicas en la fabricación de elementos y equipos de acero es la soldadura; a la que se le ha dado especial énfasis en su
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normativa de aplicación con el objetivo de generar Procedimientos Calificados de Soldadura y de Soldadores. Todos los que somos parte de un proyecto de Construcción siempre nos hemos encontrado con el reto de conseguir soldaduras de calidad. Es una constante que debemos superar en cada trabajo que se inicia y este curso nos ayudara a entender con claridad esta etapa tan importante como es la Calificación de Soldadura y Soldadores.
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TERMINOLOGIA TECNICA Y DE INGENIERIA
Capítulo 1
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2.1 Metalurgia 2.1.1 Metal En nuestras labores cotidianas estamos rodeados de materiales, observamos cómo se construyen columnas de concreto, donde se emplean barras de fierro; como se fabrican estructuras y se ejecutan montajes de estructuras, equipos y tuberías. Todo nuestro contexto está saturado de materiales, pero algo nos llama la atención; la mayor cantidad es de Acero. Si bien es cierto el Acero no es un metal por definición, sino una Aleación; sus características son de un metal. Un metal entonces es un elemento químico que se encuentra en la naturaleza formando parte de ella, y que es capaz de conducir la electricidad y el calor, que exhiben un brillo característico y que, con la excepción del Mercurio, resultan solidos a temperatura normal.
FIG. 1-1 Los Metales y Aleaciones Metálicas
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El concepto se utiliza para nombrar a elementos puros o a Aleaciones con características metálicas. Los metales son tenaces (pueden recibir fuerzas bruscas sin romperse), dúctiles (es posible moldearlos en hilos o alambres), maleables (se convierten en láminas al ser comprimidos) y cuentan con una buena resistencia mecánica (resisten esfuerzos de tracción, flexión, torsión y compresión sin deformarse). Se utilizan con fines estructurales, fabricación de recipientes, tuberías de conducción de fluidos, bases y equipos.
2.1.2 Aleación Los metales puros, como elementos químicos; no pueden emplearse corrientemente, sus propiedades son muy limitadas y su alcance muy reducido. Es por eso que para mejorar las propiedades de los metales, se realizó experimentos suficientes que dieron como producto una combinación de varios metales puros y se obtuvo la Aleación. La Aleación tiene todas las características de un metal puro, pero está formada por la combinación de varios metales puros. La Aleación es un metal que resulta de la adición de otros elementos metálicos y no metálicos en un metal base, con la finalidad de obtener propiedades específicas que se requieren por solicitud del servicio.
FIG. 1-2 Preparación de Aleaciones en el Horno
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Las propiedades de una aleación son, esencialmente, función del metal que se toma como base, así como de la naturaleza y cantidad de los elementos con que se alea. Las aleaciones podemos ubicarlas en toda la obra; en las estructuras es el Acero, en los cables es el cobre aleado, en las bandejas es el aluminio al silicio; en el refuerzo del concreto es el fierro de construcción que es un acero aleado, en los ductos es el acero inoxidable, etc.
2.1.3 Acero El material más común en las obras de construcción es el Acero. Se emplea en grandes cantidades y es el material por excelencia de mayor producción en el mundo. El Acero es una Aleación básicamente de Fierro y Carbono (desde 0.03% hasta 1.7%) y adicionalmente con la presencia de otros elementos aleantes como silicio, Manganeso, Fosforo y Azufre. Para obtener acero, se toma como materia prima el arrabio, eliminando al máximo las impurezas de este, y reduciendo el porcentaje del principal componente de la aleación que es el carbón. Esto de hace con el proceso de combustión en el que se producen muchas reacciones químicas.
Fig. 1-3 Tuberia De Acero Api 5L Gr B - 10” Pág. 16
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2.1.4 Colada (Heat) El Acero es fabricado en los hornos de las fundiciones (Acerías) y todo lo que se produce en lo hornos no se destinan a un solo producto. En el horno se produce la masa grande del acero, pero para cada producto, se vacea el acero en un horno móvil tipo torpedo que se llama convertidor y se traslada una cantidad determinada de caldo. Este convertidor es el primer paso para el afinamiento del Acero, ya que aquí se adicionan los ferroalentes para una primera aleación especifica. Luego, de este convertidor se vierte acero a una cuchara y ahí se realiza el afinamiento final agregando desoxidantes y ferroaleantes específicos con la intención de obtener la composición química deseada para el producto solicitado. Finalmente, de esta cuchara se hace el vaciado a los moldes; este vaciado se llama Colada (Heat).
FIG. 1-4 Colada de Acero para producción Pág. 17
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2.1.5 Solidificación El acero cuando es vaciado a los moldes, pasa del estado líquido al sólido, mediante el proceso de solidificación. En el estado líquido las moléculas están muy distantes entre sí, esto no permite formar enlaces regulares; en cambio cuando esta distancia empieza a disminuir, los enlaces entre las moléculas se hacen más fuertes y se observa que toman formas definidas y regulares. La solidificación es un proceso que permite al acero pasar del estado líquido al estado sólido, utilizando para ello la propiedad de transferencia de calor y de la velocidad de enfriamiento. Durante la solidificación el acero tiene 3 estados: liquido, pastoso y sólido. En la solidificación el enfriamiento avanza desde la parte exterior hacia el centro. La parte central del acero es la que tiene más tiempo de solidificación. Durante la solidificación la pared del molde o lingote, previamente calentada para evitar el choque térmico; produce una especie de costra con granos muy pequeños, luego viene una área formada por granos alargados hacia el centro y finalmente esta la parte central con granos uniformes y equiaxiales.
FIG. 1-5 Solidificación del Acero Pág. 18
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2.1.6 Macroestructura La macroestructura, se define como la vista simple de una superficie de un metal que pone de manifiesto la configuración y distribución de determinados elementos estructurales. Generalmente se obtiene por el ataque químico, con una solución de Ácido Nítrico (Nital al 5%), sobre una superficie pulida del metal.
FIG. 1-6 Macroestructura
2.1.7
Microestructura
La microestructura, se define como la vista obtenida en Microscopio a un aumento mínimo de 20 diámetros, de una superficie de un metal previamente pulida y atacada convenientemente.
FIG. 1-7 Microestructura Pág. 19
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2.1.8 Tratamientos Térmicos Los aceros después de ser trabajados, es decir conformados, soldados o transformados; requieren que sus propiedades de resistencia, dureza, elongación, sean las más adecuadas para responder a las solicitudes del servicio. El tratamiento térmico es un proceso metalúrgico que consiste en la aplicación de calentamientos y enfriamientos controlados, sobre superficies metálicas para modificar, reducir o aumentar los valores de sus propiedades mecánicas. En la calificación de procedimientos de soldadura, todos los códigos contemplan la aplicación de tratamientos térmicos post soldadura, toda vez que después de soldados los elementos generalmente de espesor amplio o de aleaciones especiales, requieren cierto alivio de tensiones.
FIG. 1-8 Tratamiento Térmico en Horno
FIG. 1-9 Diagrama Temperatura - Tiempo Pág. 20
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2.2 Mecánica 2.2.1 Estructura Metálica En todas las obras que participamos observamos conjuntos de elementos de acero con formas y dimensiones definidas, que se emplean para soportar equipos, tuberías, techos, etc. Las estructuras metálicas, son conjuntos de elementos diseñados en por lo menos 80% de secciones metálicas y que son capaces de soportar las cargas necesarias incluidas en el diseño, sea cual sea el uso que se les vaya a dar (edificios, maquinarias, etc.), son importantes este tipo de estructuras porque son las de mayor resistencia a cualquier carga que se les imponga en la actualidad, superan incluso la resistencia de las estructuras tradicionales de concreto.
FIG. 1-10 Estructura Metálica
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2.2.2
Habilitado
En el taller de fabricación de estructuras, la primera etapa constructiva, es el Habilitado. El Habilitado consiste en la selección, identificación, dimensionamiento, trazado y corte de todos los elementos involucrados en conformar la estructura. Aquí se preparan las partes componentes del total. Aquí se emplean herramientas como escuadras, niveles, reglas, winchas, cizallas, equipo de oxicorte,etc.
FIG. 1-11 Habilitado de material
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2.2.3
Ensamble
Una estructura tal como la vemos en la obra, requiere de varias etapas de conformado. Después del habilitado, las partes fabricadas pasan a la etapa del ensamblado. En esta etapa se presentan los elementos estructurales procediendo a la unión de las piezas elaboradas. Esta operación se realiza sin forzar, adoptando la posición que tendrán al efectuar las uniones definitivas. Es el momento en que se arma el conjunto del elemento, no solo el que se une en taller sino también el que luego se unirá en la obra.
FIG. 1-12 Ensamble de partes
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2.2.4
Prefabricado
En las obras que nos toca participar, las dimensiones reales de las estructuras son tales que en la práctica es muy difícil, por no decir imposible, fabricarlas como un todo. Debido a dificultades de transporte, accesos, costo, etc. las estructuras de grandes dimensiones se construyen por secciones, que luego se presentan en el taller con la finalidad de confirmar medidas y ajustes dentro de las tolerancias permitidas. El prefabricado es la etapa en la cual se construye partes de toda la estructura, con la finalidad de unirlas en el montaje.
FIG. 1-13 Prefabricados
2.2.5
Montaje
El montaje de estructuras, tuberías o equipos es la etapa final de la construcción de estos. Pág. 24
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El montaje es la instalación en obra, en una secuencia lógica, de todos los prefabricados de una estructura completa, de tal manera de poder ubicar en el sitio señalado lo solicitado por ingenieria.
FIG. 1-14 Montaje de Estructuras
2.2.6
Planos
En las obras de construcción, tanto en las disciplinas civil, mecánica, eléctrica o de instrumentación; se realizan actividades cuyos ingenieros, técnicos y obreros se comunican a través de la lectura e interpretación de dibujos. Cuando se habla de un plano, se está haciendo referencia a la superficie geométrica que no posee volumen (es decir, que es sólo bidimensional) y que posee un número infinito de rectas y puntos que lo cruzan de un lado al otro. Sin embargo, cuando el término se utiliza en plural, se está hablando de aquel material que es elaborado como una representación gráfica de superficies de diferente tipo. Los planos son especialmente utilizados en ingeniería, arquitectura
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y diseño ya que sirven para diagramar en una superficie plana otras superficies que son regularmente tridimensionales. Con ellos la obra se construye. Es el producto final de la ingeniería. Deben ser claros y autosuficientes, o sea que no sea necesario recurrir a otros planos para su entendimiento (comprenderlos), salvo en lo necesario. No deben dejar margen de creación a la obra, salvo en detalles menores de montaje, que quien hace la obra (el montador) conoce generalmente mejor que el proyectista. Y para cubrir esta necesidad se hacen a veces planos de detalles denominados típicos de montaje.
FIG. 1-15 Plano de pieza metálica
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2.3 Calidad 2.3.1
Calidad
Este término es muy conocido por todos nosotros que trabajamos en el Área de Calidad y de acuerdo a Standards, códigos, prácticas recomendadas o manuales, tenemos muchos conceptos o formas de expresar la Calidad. En realidad la Calidad no es un término inherente solo a nuestras actividades de trabajo, tales como fabricación, montaje, supervisión, inspección, etc. La calidad está en nuestra vida diaria. Y siempre nosotros estamos comparando, para conocer el grado de acercamiento entre nuestra formación, nuestra capacidad, nuestros conocimientos, nuestro desempeño en obra y los modelos que queremos alcanzar, estos modelos hacen de patrón en nuestras vidas. Con esto quiero solo demostrarles que la Calidad en nuestra formación profesional, está sujeta a medición. Cada vez que adquirimos conocimientos nos hacemos más independientes, más libres, más seguros. Nuestro grado de libertad aumenta. Es realmente penoso a veces en una reunión, como las personas no pueden expresarse porque sus ideas no son concatenadas, no son ordenadas y porque finalmente buscan en esa gran biblioteca que es nuestra mente y no encuentran nada o muy poco que los pueda ayudar. Si señores, nuestra mente es la principal biblioteca a la que debemos recurrir porque es el lugar preciso donde están nuestros mejores libros y nuestra mejor experiencia, cuando eso falla nos quedamos callados. Ahora podemos decir que es Calidad: “Calidad es el grado del cumplimiento o de conformidad de un producto acabado respecto a los requerimientos especificados en el diseño, en un modelo o en un Patrón”. Cada vez que el producto, se acerque más a los requerimientos solicitados o se Pág. 27
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acerque más al modelo o al patrón, cada vez tendrá más calidad. Por tanto la Calidad es medible se puede expresar en porcentaje o como indicador. Si una estructura de acero cumple solo parte de todos los requerimientos solicitados, tendrá una calidad mediana o baja, pero nunca alta o total.
FIG. 1-16 Calidad – Nivel de comparación
2.3.2
Aseguramiento de Calidad
El Control de Calidad de un producto final, no se realiza solamente cuando el producto está terminado, debe ser seguido en todas y cada una de las etapas de fabricación. Nosotros debemos asegurarnos que el material que adquirimos, que habilitamos, ensamblamos, prefabricamos y montamos, debe llegar a esta última etapa con la garantía de no tener condición de NO CONFORME, es decir RECHAZADO. Entonces que es Aseguramiento de Calidad: “Aseguramiento de Calidad es un programa planificado y sistemático de controles y acciones necesarias para proporcionar una adecuada confiabilidad que el producto final será conforme a los requerimientos técnicos establecidos”. Pág. 28
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El Aseguramiento de la Calidad de un producto se realiza antes que se inicie el Proyecto, aquí se planifica las acciones y los puntos de inspección que debe tener el producto. Con el desarrollo tecnológico y económico surgen industrias que no pueden permitirse el lujo de tener un fallo de calidad. Son industrias como la Nuclear, la Aeronáutica, la de Defensa, etc. Estas industrias requieren de un Plan de Aseguramiento de la Calidad de alto nivel.
FIG. 1-17 Aseguramiento de la Calidad
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2.3.3
Control de Calidad
El Control de Calidad son todas aquellas actividades como Inspecciones, ensayos y/o pruebas que se aplican sobre el producto con la finalidad de conseguir confiabilidad en las propiedades del producto terminado.
FIG. 1-18 Control de Calidad En nuestra actividad de Control de Calidad diaria, que realizamos sobre las fabricaciones y construcciones en obra, empleamos por excelencia nuestra vista para efectuar la inspección más simple y económica. La Inspección Visual. Lógicamente que esta inspección básica y fundamental, en muchos casos no basta para obtener respuestas a desviaciones que no se pueden percibir. Es entonces donde hacemos uso de otras técnicas que nos permiten conocer las causas de posibles fallas. En estos casos nos valemos de inspecciones mediante ensayos mecánicos destructivos, ensayos no destructivos, inspecciones con imagen real en tiempo Pág. 30
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real, inspecciones con imagen virtual en tiempo real, etc.
2.3.4 Supervisor de Calidad El supervisor de Calidad actualmente mantiene una posición expectante en el proceso de fabricación y constructivo del proyecto, por lo que nos parece importante definir algunos conceptos relacionados a la Supervisión y al Supervisor: DEFINICIÓN DE LA PALABRA SUPERVISIÓN La palabra supervisión es compuesta, viene del latín ¨visus¨ qué significa examinar un instrumento poniéndole el visto bueno; y del latín ¨super¨ que significa preeminencia o en otras palabras: privilegio, ventaja o preferencia por razón o mérito especial. Supervisión es pues, dar el visto bueno después de examinar y la supervisión de obras tiene por objetivos básicos vigilar el costo, tiempo y calidad con que se realizan las obras. Las responsabilidades que adquirimos con quien contrata los servicios de supervisión están expresadas en el contrato de supervisión y las responsabilidades que adquiere el contratista y que nosotros debemos vigilar que se cumplan están en el contrato de obra. LA SUPERVISIÓN Es la actividad de apoyar y vigilar la coordinación de actividades de tal manera que se realicen en forma satisfactoria. SUPERVISION TÉCNICA DE OBRA Se refiere al empleo de una metodología para realizar la actividad de vigilancia de la coordinación de actividades del cumplimiento a tiempo de las condiciones técnicas y económicas pactadas entre quien ordena y financia la obra y quien la ejecuta a cambio de un beneficio económico y/o técnico. EL SUPERVISOR Persona representante de la entidad que financia la obra y que realiza la actividad de supervisar la ejecución de obra que realiza el contratista; su objetivo es controlar tiempo, calidad y costo. Pág. 31
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EL PAPEL DEL SUPERVISOR No hay labor más importante, difícil y exigente que la supervisión del trabajo ajeno. Una buena supervisión reclama más conocimientos, habilidad, sentido común y previsión que casi cualquier otra cosa de trabajo. El éxito del supervisor en el desempeño de sus deberes determina el éxito o el fracaso de los programas y los objetivos del departamento. El individuo solo puede llegar a ser buen supervisor a través de una gran dedicación a tan difícil trabajo y de una experiencia ilustrativa y satisfactoria adquirida por medio de programas formales de adiestramiento y de la práctica informal del trabajo. Cuando el supervisor funciona como es debido, su papel puede resumirse o generalizarse en dos categorías o clases de responsabilidades extremadamente amplías que en su función real, son simplemente facetas diferentes de una misma actividad; no puede ejercer una sin la otra. Estas facetas son seguir los principios de la supervisión y aplicar los métodos o técnicas de la supervisión. EL PERFIL DEL SUPERVISOR Conforme a las condiciones actuales operativas de la industria de la construcción, el supervisor debe ser un profesional en cualquiera de las carreras afines a la construcción con la capacidad suficiente para vigilar el cumplimiento de los compromisos contractuales y controlar el desarrollo de los trabajos. En atención a estos requerimientos se deduce que el supervisor debe ser un profesional con las siguientes características: EXPERIENCIA, La suficiente para comprender e interpretar todos los procedimientos constructivos contenidos en las especificaciones y planos de proyecto a utilizarse; CAPACIDAD DE ORGANIZACIÓN, La necesaria para ordenar todos los controles que deben llevarse para garantizar una obra a tiempo de acuerdo a la calidad especificada y al costo previsto; SERIEDAD, Para representar con dignidad al contratante en todo lo que respecta al desarrollo técnico de la obra; PROFESIONALISMO, Para cumplir con todas las obligaciones que adquiera al ocupar el cargo. Conviene señalar el compromiso de informar oportuna y verbalmente al fiduciario sobre los avances e incidencias del desarrollo de los trabajos; HONESTIDAD, Ya que habrá de autorizar situaciones técnicas y el pago de los trabajos realizados; CRITERIO TÉCNICO, Para discernir entre alternativas cual es la más adecuada y propia sin perder de vista los intereses del fiduciario que lo contrata; ORDENADO, Para poder controlar toda la documentación que requiere la función encomendada. Pág. 32
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Existen algunas otras condiciones de menor importancia, pero se considera que el hecho de cumplir con las enunciadas es más que suficiente para que un supervisor merezca el cargo.
FIG. 1-19 Supervisor de Calidad
2.3.5
Inspector de Calidad
Cuantas veces en obra nos han confundido como inspectores de Calidad, en realidad más de una vez. Es que los términos Inspector y Supervisor se confunden muy a menudo, causando una inadecuada costumbre de indicar funciones y responsabilidades que no competen. Como ya vimos en el punto anterior, el supervisor de Calidad es un profesional (ingeniero o técnico) que desarrolla una labor para el ejecutor del Proyecto. Es Pág. 33
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decir es el que desarrolla su función al 100% de su tiempo de permanencia en obra. El supervisor de Calidad no supervisa las actividades por un lapso de horas y luego regresa a la obra dentro de 3 días o una semana. No, el Supervisor esta al pie de la actividad. Es el que acompaña a la producción de manera diaria a que se desarrolle dentro de los requerimientos especificados.
FIG. 1-20 Inspector de Calidad Entonces que hace el Inspector? nos preguntamos, respondamos mejor su definición: El Inspector de Calidad, es por excelencia; el supervisor del Cliente, es aquel profesional con una preparación adecuada desde el punto de vista técnico, ético y moral; que desarrolla de manera intermitente la labor de supervisión, monitoreando solo los puntos críticos que a su entender necesitan una consideración especial de cuidados, por lo que centra su atención en ellos. Pág. 34
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El cliente también puede poner supervisores a tiempo completo, que son parte del proceso constructivo del proyecto. El Inspector de Calidad, también puede ser el profesional que representa a la Autoridad Competente Nacional, como por ejemplo los Inspectores de OSINERMING, que son aquellos que están vinculados muy intrínsecamente a nuestras labores constructivas porque pertenecemos al rubro de Minería, Energía, Petróleo y Gas. El Inspector de Calidad programa sus visitas solo por horas o por días específicos, cuando es muy crítica la revisión, entonces puede quedarse en obra algunos días, pero son muy pocos. El Inspector de Calidad se trasladara a una obra a tiempo completo, solo cuando esta se encuentra en un nivel crítico de avance y de construcción.
2.3.6 Inspector Certificado de Calidad El Inspector Certificado, es aquel profesional que a través de examinaciones a nivel Nacional o Internacional posee el respaldo de instituciones de prestigio o del estado, para realizar determinadas actividades de especialidad. Los más conocidos para nosotros son los Inspectores Certificados en Soldadura (CWI), cuya Institución que los respalda y avala es la American Welding Society de E.U. Los Inspectores Certificados tienen inherente la función de Calidad, ellos a la vez que inspeccionan los trabajos desde el punto de vista constructivo, van realizando la inspección visual para comprobar que los trabajos se desarrollan considerando los requerimientos establecidos en las especificaciones técnicas y en los códigos aplicables vigentes. Los Inspectores Certificados no solo son de la especialidad de Soldadura, sino también de materiales, hidrocarburos, construcción, diseño, recubrimientos protectores, etc.; pudiendo ser respaldados por las siguientes instituciones: • API American Petroleum Institute • ASME American Society for Mechanical Engineering Pág. 35
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• NACE National American Corrosion Engineering • ASNT American Society for Non Destructive Testing
FIG. 1-21 Inspector Certificado
2.3.7 Standard En nuestra actividad diaria de calidad nos hemos visto siempre involucrados con documentos llamados STANDARDS. Los estándares y normas son descripciones técnicas detalladas, elaboradas con el fin de garantizar la interoperabilidad entre elementos construidos independientemente, así como la capacidad de replicar un mismo elemento de manera sistemática. Según la Organización Internacional para la Estandarización (ISO), uno de los principales organismos internacionales desarrolladores de estándares, la normalización es la actividad que tiene por objeto establecer, ante problemas reales o potenciales, disposiciones destinadas a usos comunes y repetidos, con el fin de obtener un nivel de ordenamiento óptimo en un contexto dado, que puede ser tecnológico, político o económico. Los conceptos anteriores, son los conceptos sofisticados que utilizan palabras Pág. 36
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muy buscadas para expresar una idea tan simple como nuestra definición de Standard: En términos comunes, un standard es un patrón, un modelo, un molde a seguir, es un documento técnico que nos sirve como guía para la manufactura, fabricación o producción de un producto, un sistema, un material, una fabricación, etc. Sin él, estamos ciegos técnicamente hablando; no tendríamos dirección, ni Los Standards tienen diferentes tipos de aplicación, pueden ser generales, específicos, prácticos, etc. de tal manera que de acuerdo a su aplicabilidad toman determinados nombres como: Códigos, Especificaciones, Procedimientos, Practicas Recomendadas, Guías, etc., todas en sí mismas son standards.
FIG. 1-22 Standards Pág. 37
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2.3.8
Código
El Código es un standard aplicado solo para casos específicos, puede soldadura, de materiales, de construcción, etc.
ser de
El Código es un standard para una actividad específica, como por ejemplo para la Construcción de Tanques a Presión y Calderas, entonces el ASME B&PV Section VIII cumple esa misión. Así también puede ser para Tuberías a Presión, entonces tenemos los Códigos ASME B31.
FIG. 1-23 Código
2.4 Soldadura 2.4.1 Soldadura Bueno, llegamos a un término muy conocido; y aquí es necesario precisar lo siguiente: Pág. 38
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Esto debí mencionarlo quizás al principio del Curso, pero donde se precise siempre será aclaratorio: Este curso va dirigido a todo el personal ingenieros y técnicos que labora en obras de construcción electromecánica y se ha tratado de redactar de una forma muy simple con un lenguaje que es el que manejamos en el campo. He pretendido que la forma de expresar mis ideas en escrito sea igual que cuando conversamos, de tal manera que no exista doble interpretación a lo dicho. Entiendo que muchos de los participantes, quizás les parezca demasiada básica la terminología; pero lo que pretendo es uniformizar niveles de aprendizaje para cumplir con el objetivo del Curso. Actualmente en obra y en talleres, el concepto de soldadura se emplea de manera indistinta para indicar actividades relacionadas: Por ejemplo: 1) Se le llama soldadura al proceso de soldar (dicen “ hoy se inicia la soldadura de las estructuras”) 2) Se le llama soldadura al metal depositado ( dicen” la soldadura está muy bien ejecutada”) 3) Se le llama soldadura al electrodo para soldar (el soldador le dice a su ayudante “hey pásame soldadura”). Lógicamente, solo uno es lo correcto y es lo primero. Entonces que es soldadura: La Soldadura Eléctrica por Arco, Es un proceso Metalúrgico de Fusión (en realidad es de microfusión por las dimensiones), que une dos metales empleando calor, con o sin presión y con o sin material de aporte.
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FIG. 1-24 Proceso de Soldadura SMAW 2.4.2 Deposito metálico de soldadura El depósito metálico de soldadura es el metal fundido que se deposita en la junta para la unión de las partes. Es conocido como cordón de soldadura, o capa de soldadura o pases de soldadura.
FIG. 1-25 Proceso de Soldadura
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2.4.3 Zona afectada por el calor (ZAC) Es la zona que se extiende desde el metal depositado de soldadura hacia el metal base, y rodea toda la periferia interior del cordon de soldadura.
FIG. 1-25 ZAC (Zona Afectada por el Calor) La Zona Afectada por el Calor: Los efectos de soldar pueden ser perjudiciales en el material base que está rodeando la soldadura. Dependiendo de los materiales usados y la entrada de calor del proceso de soldadura usado, la zona afectada por el calor (ZAC) puede variar en tamaño y fortaleza. La difusión térmica del material base es muy importante - si la difusión es alta, la velocidad de enfriamiento del material es alta entonces la ZAC es relativamente pequeña. Inversamente, una difusión baja conduce a un enfriamiento más lento y da como resultado una ZAC más grande. Esta zona sufre un proceso metalúrgico de importantes implicancias posteriores, dado que dejó de ser el metal base original y se transformó en otro material con propiedades algo diferentes , por lo que es muy importante tener en cuenta esto durante la selección del proceso de soldadura y las cargas térmicas a las que se va a someter la unión , tratando de minimizar la ZAC y que la afectación inevitable sea la menor posible.
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2.4.4
Proceso
Los procesos de soldadura, con el avance de la tecnología; han ido incrementándose, pero los más conocidos son:
SMAW Es el proceso conocido como Electrodo Revestido o más conocido aun como varilla o electrodo. Las siglas son en inglés y significa Shielded Metal Arc Welding (Soldadura por Arco Metálico Protegido). Este proceso emplea material de aporte en forma de electrodo revestido, con la finalidad de que del revestimiento se proporcione elementos químicos que ayuden a la formación de un gas de protección del Arco Metálico y así evitar la contaminación de otros gases, y también para que se forme la escoria que proteja el cordón de soldadura de enfriamientos bruscos. El proceso de soldadura con arco eléctrico con electrodos revestidos (Shielded Metal Arc Welding - SMAW), consiste en un arco eléctrico que se forma cuando el electrodo hace contacto con la pieza que se va soldar; el electrodo entonces se va consumiendo a medida que se forma el cordón de soldadura, cuya protección contra contaminaciones del aire atmosférico se hace por atmósfera gaseosa y escoria, provenientes de la fusión del revestimiento del electrodo. La soldadura con electrodos revestidos se usa en la fabricación, montaje y mantenimiento de distintos equipamientos y estructuras. El proceso se usa básicamente como operación manual. Utiliza fuente de energía de corriente continuo (rectificador y transformador), porta- electrodos, cables y electrodos, siendo básicamente un proceso manual. Debido a la demanda de mayor productividad, y consiguiente aumento en el uso de procesos semiautomáticos y automáticos, la soldadura con electrodos revestidos, como ocurre en los países más industrializados, ha reducido su utilización.
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FIG. 1-26 ZAC (Zona Afectada por el Calor)
GTAW Es el proceso conocido como TIG, sus siglas son en ingles Gas Tungsten Arc Welding (Soldadura por Arco de Tungsteno y Gas). Este proceso emplea un electrodo metálico de tungsteno para establecer el arco con la pieza, y se suelda con material de aporte en varilla y el baño metálico es protegido por un gas proveniente de fuente externa. Es un proceso de gran limpieza ya que no produce escoria y el gas protege de la contaminación del aire.
FIG. 1-27 Proceso GTAW La soldadura GTAW (gas tugsten arc welding) o Soldadura TIG (tungsten inert gas) es también conocida como soldadura Heliarc, es un proceso en el que se usa Pág. 43
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un electrodo no consumible de tungsteno sólido, el electrodo, el arco y el área alrededor de la soldadura fundida son protegidas de la atmósfera por un escudo de gas inerte, si algún metal de aporte es necesario es agregado a la soldadura desde el frente del borde de la soldadura que se va formando. La Soldadura TIG fue desarrollada inicialmente con el propósito de soldar metales anticorrosivos y otros metales difíciles de soldar, no obstante al pasar del tiempo, su aplicación se ha expandido incluyendo tanto soldaduras como revestimientos endurecedores (hardfacing) en prácticamente todos los metales usados comercialmente. En cualquier tipo de proceso de soldadura la mejor soldadura, que se puede obtener, es aquella donde la soldadura y el metal base comparten las mismas propiedades químicas, metalúrgicas y físicas, para lograr esas condiciones la soldadura fundida debe estar protegida de la atmósfera durante la operación de la soldadura, de otra forma, el oxígeno y nitrógeno de la atmósfera se combinarían, literalmente, con el metal fundido resultando en una soldadura débil y con porosidad. En la soldadura TIG la zona de soldadura es resguardada de la atmósfera por un gas inerte que es alimentado a través de la antorcha, Argón y Helio pueden ser usados con éxito en este proceso, el Argón es principalmente utilizado por su gran versatilidad en la aplicación exitosa de una gran variedad de metales, además de su alto rendimiento permitiendo soldaduras con un bajo flujo para ejecutar al proceso. El Helio genera un arco más caliente, permitiendo una elevación del voltaje en el arco del 50-60%. Este calor extra es útil especialmente cuando la soldadura es aplicada en secciones muy pesadas. La mezcla de estos dos gases es posible y se usa para aprovechar los beneficios de ambos, pero la selección del gas o mezcla de gases dependerá de los materiales a soldar. Dado que la atmósfera está aislada 100% del área de soldadura y un control muy fino y preciso de la aplicación de calor, las soldaduras TIG, son más fuertes, más dúctiles y más resistentes a la corrosión que las soldaduras hechas con el proceso ordinario de arco manual (electrodo cubierto). Además del hecho de que no se necesita ningún fundente, hace este tipo de soldaduras aplicable a una amplia gama de diferentes procedimientos de unión de metales. Es imposible que ocurra una corrosión debido a restos de fundente atrapados en la soldadura y los procedimientos de limpieza en la post-soldadura son eliminados, el proceso entero se ejecuta sin salpicaduras o chispas, la soldadura de fusión Pág. 44
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puede ser ejecutada en casi todos los metales usados industrialmente, incluyendo las aleaciones de Aluminio, Acero Inoxidable, aleaciones de Magnesio, Níquel y las aleaciones con base de Níquel, Cobre, Cobre-Silicón, Cobre-Níquel, Plata, Bronce fosfórico, las aleaciones de acero de alto carbón y bajo carbón, Hierro Colado (cast iron) y otros. El proceso también es ampliamente conocido por su versatilidad para soldar materiales no similares y aplicar capas de endurecimiento de diferentes materiales al acero. La fuente de poder para TIG puede ser AC o DC, sin embargo, algunas características sobresalientes obtenidas con cada tipo, hacen a cada tipo de corriente mejor adaptable para ciertas aplicaciones específicas.
FCAW Es el proceso que emplea un electrodo metálico en alambre y que tiene un núcleo con fundente. El proceso se conoce como Flux Cored Arc Welding (Soldadura al Arco con Núcleo de Fundente). Es un proceso de gran rendimiento toda vez que el alambres e suministra semiautomáticamente de un carrete, con una velocidad de alimentación definida que produce depósitos metálicos de soldadura continuo. Este proceso produce escoria que proviene del fundente del núcleo y es protegido por gases producto de la reacción de elementos del fundente.
FIG. 1-28 Proceso FCAW Pág. 45
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La soldadura por arco con núcleo de fundente (flux cored arc welding, FCAW) es un proceso de soldadura por arco que aprovecha un arco entre un electrodo continuo de metal de aporte y el charco de soldadura. Este proceso se emplea con protección de un fundente contenido dentro del electrodo tubular, con o sin un escudo adicional de gas de procedencia externa, y sin aplicación de presión. El electrodo con núcleo de fundente es un electrodo tubular de metal de aporte compuesto que consiste en una funda metálica y un núcleo con diversos materiales pulverizados. Durante la soldadura, se produce un manto de escoria abundante sobre la superficie de la franja de soldadura. El aspecto que distingue al proceso FCAW de otros procesos de soldadura por arco es la inclusión de ingredientes fundentes dentro de un electrodo de alimentación continua. Las notables características de operación del proceso y las propiedades de la soldadura resultante se pueden atribuir al empleo de este tipo de electrodo. El proceso FCAW tiene dos variaciones principales que difieren en su método de protección del arco y del charco de soldadura contra la contaminación por gases atmosféricos (oxigeno y nitrógeno). Una de ellas, la FCAW con autoprotección, protege el metal fundido mediante la descomposición y vaporización del núcleo de fundente en el calor del arco. El otro tipo, la FCAW con escudo de gas, utiliza un flujo de gas protector además de la acción del núcleo de fundente. En ambos métodos, el material del núcleo del electrodo proporciona una cubierta de escoria sustancial que protege el metal de soldadura durante su solidificación. Normalmente, la soldadura por arco con núcleo de fundente es un proceso semiautomático, aunque también se emplea para soldadura automática y mecanizada.
GMAW Es el proceso que emplea un electrodo metálico en alambre y que tiene un núcleo con fundente. El proceso se conoce como Flux Cored Arc Welding (Soldadura al Arco con Núcleo de Fundente). Este proceso emplea un electrodo metálico proveniente del alambre suministrado en carrete y forma el arco eléctrico con la pieza a soldar. Básicamente se emplea con una mezcla de Gases. Pág. 46
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FIG. 1-29 Proceso GMAW La soldadura GMAW (gas metal arc welding) o Soldadura MIG (metal inert gas) es también conocida como Gas Arco Metal o MAG, donde un arco eléctrico es mantenido entre un alambre sólido que funciona como electrodo continuo y la pieza de trabajo. El arco y la soldadura fundida son protegidos por un chorro de gas inerte o activo. El proceso puede ser usado en la mayoría de los metales y la gama de alambres en diferentes aleaciones y aplicaciones es casi infinita. La soldadura Mig es inherentemente más productiva que la MMA (Soldadura de arco manual), donde las pérdidas de productividad ocurren cada vez que el soldador se detiene para reemplazar el electrodo consumido. En la soldadura de arco manual también es notable la perdida cuando el restante del electrodo que es sujetado por el porta electrodo es tirado a la basura, en algunos casos es reciclado. El proceso MIG opera en DC. (Corriente directa) usualmente con el alambre como electrodo positivo. Esto es conocido como “Polaridad Negativa” (reverse polarity), La “Polaridad Positiva” (straight polarity) es raramente usada por su poca transferencia de metal de aporte desde el alambre hacia la pieza de trabajo. Las corrientes de soldadura varían desde unos 50 Amperios hasta 600 Amperios Pág. 47
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en muchos casos en voltajes de 15V hasta 32V, un arco auto-estabilizado es obtenido con el uso de un sistema de fuente de poder de potencial constante (voltaje constante) y una alimentación constante del alambre. Continuos desarrollos al proceso de soldadura MIG lo han convertido en un proceso aplicable a todos los metales comercialmente importantes como el acero, aluminio, acero inoxidable, cobre y algunos otros. Materiales por encima de 0.76 mm (.0.030-in) de espesor pueden ser soldados en cualquier posición, incluyendo “de piso”, vertical y sobre cabeza. Es muy simple escoger el equipo, el alambre o electrodo, el gas de la aplicación y las condiciones óptimas para producir soldaduras de alta calidad a muy bajo costo.
SAW En el proceso de Arco Sumergido “SAW”, el arco es iniciado entre el material base a ser soldado y la punta de un electrodo consumible, los cuales son cubiertos por una capa de un fundente granulado. El arco es, por consiguiente, escondido en esta capa densa de fundente granulado el cual parte se funde para formar una cubierta protectora sobre el cordón de soldadura fundido, en donde sus remanentes pueden ser recuperados para ser usado nuevamente. El proceso de arco sumergido es, principalmente llevado a cabo con equipo totalmente automático, aunque hay algunas pistolas de mano para el proceso. Para incrementar la productividad un arreglo con varios electrodos o multialambre puede ser implementado. Por su alto poder de deposición de metal de aporte, es particularmente conveniente para las soldaduras rectas de gran longitud con excelente calidad en posición de piso, siendo muy usado en la fabricación de grandes tanques, plantas químicas, pesadas estructuras y en la industria de la fabricación y reparación de barcos.
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FIG. 1-30 Proceso SAW Cuando la soldadura comienza, un arco es creado entre el electrodo y la pieza de trabajo, en ese momento el fundente que es o derramado sobre la soldadura, o puede ser previamente servido, se derrite produciendo una costra protectora, el material fundente restante es recuperado, y reciclado para ser usado nuevamente en un proceso futuro o en el mismo proceso, dependiendo del tipo de fundente que se esté usando o de los materiales envueltos en el proceso. Entre las ventajas de este método, se incluyen: • Alta productividad • Bajo costo en la etapa de preparación. • El hecho de que se puede ejecutar en un solo pase, hasta en materiales de gran diámetro. • Es muy confiable si los parámetros de operación son los correctos.. • Muy poca tensión transversal. • Muy bajo riesgo de grietas por Hidrogeno.
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FIG. 1-31 Esquema del Proceso SAW
2.4.5
Material Base
La soldadura es un proceso que une dos partes o elementos, estas en nuestro caso son metales. El metal base es el metal que de acuerdo a una especificación determinada requiere unirse entre con otra pieza de su misma especificación, en cuyo casos e denominara metales símiles. Cuando los metales son de diferentes especificaciones se denominan materiales disimiles. Los metales base pueden ser de todo tipo de Aleación: Aceros al Carbono, Aceros Inoxidables, Aleaciones de Aluminio, Aleaciones de Cobre, Aleaciones de Níquel, Aleaciones de Cromo, etc. Pág. 50
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FIG. 1-31 Metales Bases
2.4.6
Material de Aporte
El material de aporte es el material que forma el deposito metálico de soldadura y que de acuerdo a su especificación proporciona propiedades iguales o superiores a los metales bases a unir.
CALIFICACIÓN DE ELECTRODOS Para la calificación de un electrodo es necesario tomar un estándar de referencia al cual se va a calificar en este caso nos basaremos en la propiedades del electrodo con respecto a la normativa AWS (American WeIding Society). Los estándares de referencia que manejaremos son: Tipo de electrodo según Especificación AWS: •
Acero al carbón: A5.1
•
Acero de baja aleación: A5.5
•
Acero resistente a la corrosión: A5.4
•
Hierro colado: A515
•
Aluminio y aleaciones: A5.3
•
Cobre y aleaciones: A5.6 Pág. 51
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•
Níquel y aleaciones: A.1 1
•
Recubrimientos AS. A5.21
SELECCION DEL ELECTRODO ADECUADO Para escoger el electrodo adecuado es necesario analizar las condiciones de trabajo en particular y luego determinar el tipo y diámetro de electrodo que más se adapte a estas condiciones. Este análisis es relativamente simple, si el operador se habitúa a considerar los siguientes factores: 1. Naturaleza del metal base. 2. Dimensiones de la sección a soldar. 3. Tipo de corriente que entrega su máquina soldadora. 4. En qué posición o posiciones se soldará. 5. Tipo de unión y facilidad de fijación de la pieza. 6. Si el depósito debe poseer alguna característica especial, como son: Resistencia a la corrosión, gran resistencia a la tracción, ductilidad, etc. 7. Si la soldadura debe cumplir condiciones de alguna norma o especificaciones especiales. Después de considerar cuidadosamente los factores antes indicados, el usuario no debe tener dificultad en elegir un electrodo INDURA, el cual le dará un arco estable, depósitos parejos, escoria fácil de remover y un mínimo de salpicaduras, que son las condiciones esenciales
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FIG. 1-32 Material de Aporte - Electrodos
2.4.7
Tipo de junta
Las juntas clásicas según la AWS son: • A tope • En T • De traslape • En esquina • De borde Las juntas se diseñan para lograr una unión adecuada entre las partes y de acuerdo a su facilidad para soldarlos. Las juntas se diseñan de acuerdo a los requerimientos técnicos del servicio. Las juntas A tope son aquellas cuyos bordes se enfrentan entre en el mismo plano. Las juntas en T son aquellas cuyos bordes se enfrentan en un posición perpendicular entre si y están en diferentes planos. Pág. 53
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Las juntas en Traslape son aquellas cuyos bordes no se enfrentan las superficies mayores están superpuestas y pertenecen a planos horizontales independientes. Las juntas en esquina son aquellas cuyos bordes forman un Angulo de 90º entre si y pertenecen a planos perpendiculares. Las juntas de Borde son aquellas cuyos bordes forman un Angulo 0º y se encuentran en planos paralelos entre si.
FIG. 1-33 Tipos de Juntas
2.4.8
Tipo de soldadura
Los dos tipos principales de soldaduras son las de ranura (que se realizan en las juntas a tope o biseladas) y las soldaduras de filete. Existen además las soldaduras de tapón y de muesca que no son comunes en el trabajo estructural. Estos cuatro tipos de soldadura se muestran en la siguiente gráfica.
FIG. 1-34 Soldaduras tipo ranura y tipo filete Pág. 54
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FIG. 1-35 Soldadura tipo tapón y soldadura tipo muesca Las soldaduras de filete han demostrado ser más débiles que las soldaduras a tope o biseladas, sin embargo, la mayoría de las conexiones estructurales se realizan con soldaduras de filete (aproximadamente el 80%). Cualquier persona que haya tenido experiencia en estructuras de acero entenderá por qué las soldaduras de filete son más comunes que las soldaduras de ranura. Las soldaduras a tope o biseladas se usan cuando los miembros que se conectan están alineados en el mismo plano. Usarlas en cualquier situación implicaría un ensamble perfecto de los miembros por conectar, cosa que lamentablemente no sucede en la estructura común y corriente. Muchos de nosotros hemos visto a los operarios tirando de y golpeando miembros de acero para ponerlos en posición. Cuando se pueden traslapar los miembros de acero, se permiten tolerancias mayores en el montaje, siendo las soldaduras de filete las que se utilizan. Sin embargo, las soldaduras a tope o biseladas son bastante comunes en muchas conexiones tales como los empalmes en columnas Pág. 55
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y las conexiones de patines de vigas a columnas, etc. Las soldaduras a tope comprenden alrededor del 15% de las soldaduras estructurales. Una soldadura de tapón es una soldadura circular que une dos piezas, en una de las cuales se hacen la o las perforaciones necesarias para soldar. Una soldadura de muesca es una soldadura formada en una muesca o agujero alargado que une un miembro con otro a través de la muesca. La soldadura puede llenar parcial o totalmente la muesca. Estos tipos de soldaduras pueden utilizarse cuando los miembros se traslapan y no se tiene la longitud del filete de soldadura. También pueden utilizarse para unir partes de un miembro como en el caso de tener que fijar las cubreplacas en un miembro compuesto. Las soldaduras de tapón y las de muescas no se consideran en general adecuadas para transmitir fuerzas de tensión perpendiculares a la superficie de contacto. La razón es que usualmente no se tiene mucha penetración de la soldadura en el miembro situado abajo del tapón o muesca; la resistencia a la tensión la proporciona principalmente la penetración. Algunos proyectistas estructurales consideran satisfactorias las soldaduras de tapón y de muesca para conectar las diferentes partes de un miembro, pero otros no las consideran adecuadas para transmitir fuerzas cortantes. La penetración en estas soldaduras es siempre dudosa y además pueden contener poros que no se detectan con los procedimientos comunes de inspección.
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PROPIEDADES DE LOS METALES
Capítulo 2
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3.1 Propiedades Mecánicas Las propiedades mecánicas de un metal son aquellas que expresan el comportamiento de estos frente a esfuerzos o cargas que tienden a alterar su forma. La finalidad de este capítulo será aprender cómo pueden cambiarse las propiedades de los metales. Esta finalidad tiene dos propósitos: • Permitir al ingeniero entender las limitaciones de los metales • Proporcionarle procedimientos para ajustar sus propiedades a las especificaciones de sus diseños.
3.1.1 Resistencia Es la capacidad de un metal de soportar una carga externa con la intención de deformarlo y/o llegar hasta la rotura del mismo. La carga que se aplica puede ser tensión, por compresión, por torsión o por cizallamiento y habrá una resistencia a la rotura (kg/mm²) para cada uno de estos esfuerzos.
Fig. 2-1 Tracción de probeta Pág. 58
Fig. 2-2 Secuencia hasta Rotura
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3.1.2 Elasticidad Capacidad de un material elástico para recobrar su forma al cesar la carga que lo ha deformado. Se llama límite elástico a la carga máxima que puede soportar un metal sin sufrir una deformación permanente. Su determinación tiene gran importancia en el diseño de toda clase de elementos mecánicos, ya que se debe tener en cuenta que las piezas deben trabajar siempre por debajo del límite elástico, se expresa en Kg/mm.
Fig. 2-3 Efecto de fuerza sobre cuerpo
3.1.3 Plasticidad Capacidad de deformación permanente de un metal sin que llegue a romperse.
Fig. 2-4 Doblado de Probetas
Fig. 2-5 Maquina de Doblez Pág. 59
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3.1.4 Fragilidad Propiedad que expresa falta de plasticidad, y por tanto, de tenacidad. Los materiales frágiles se rompen en el límite elástico, es decir su rotura se produce espontáneamente al rebasar la carga correspondiente al límite elástico.
Fig. 2-6 Fractura Dúctil y Fractura Frágil
3.1.5 Tenacidad Resistencia a la rotura por esfuerzos de impacto que deforman el metal. La tenacidad requiere la existencia de resistencia y plasticidad.
Fig. 2-7 Maquina para Impacto Pág. 60
Fig. 2-8 Probetas Ensayo de Impacto
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3.1.6 Dureza Propiedad que expresa el grado de deformación permanente que experimenta un metal bajo la acción directa de una carga determinada. Los ensayos más importantes para designar la dureza de los metales, son los de penetración, en que se aplica un penetrador (de bola, cono o diamante) sobre la superficie del metal, con una presión y un tiempo determinados, a fin de dejar una huella que depende de de la dureza del metal, los métodos más utilizados son los de Brinell, Rockwell y Vickers. También es la capacidad que tiene un metal de oponerse a su penetración por otro cuerpo.
Fig. 2-9 Maquina para Ensayo de Dureza e Indentacion
3.1.7 Ductibilidad Es la capacidad del metal para dejarse deformar o trabajar en frío; tomando la forma principal de hilos, aumenta con la tenacidad y disminuye al aumentar la dureza. Los metales más dúctiles son el oro, plata, cobre, hierro, plomo y aluminio.
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Fig. 2-10 Propiedades de Ductilidad del Acero
3.1.8 Maleabilidad Es la capacidad de los metales de hacerse l谩minas al ser sometidos a esfuerzos de compresi贸n.
Fig. 2-11 Propiedad de Maleabilidad en Aceros
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3.1.9 Resiliencia La Resiliencia es la magnitud que cuantifica la cantidad de energía que un material (p.ej. acero) puede absorber al romperse por efecto de un impacto, por unidad de superficie de rotura.
Fig. 2-12 La zona verde debajo de la Curva es la Resiliencia
3.1.10 Fluencia Cuando se realiza el ensayo de tensión - deformación a temperatura ambiente, se observa que el comportamiento elástico de la deformación se puede definir mediante la ley de Hooke y no cambia con la temperatura. Si este ensayo se realiza a temperatura elevada se observa que la deformación aumenta de forma gradual con el tiempo. Inicialmente se presenta una deformación elástica instantánea y luego una deformación plástica. La fluencia se puede definir como la deformación plástica que tiene lugar a temperatura elevada bajo una carga constante y durante un periodo largo de tiempo.
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Fig. 2-13 Fluencia del Acero En la figura se observa una curva típica de termofluencia de un metal donde se destacan varias etapas en el comportamiento del metal ante el ensayo. Inicialmente ocurre una deformación elástica instantánea 0. Seguidamente la muestra exhibe una primera fluencia en la cual la velocidad de fluencia disminuye con el tiempo. La pendiente de la curva (de/dt = e ) se designa como velocidad de termofluencia. Después ocurre un segundo estado el cual la velocidad se hace esencialmente constante y se define por tanto como termofluencia de estado estacionario. Este es el parámetro de diseño que se considera para aplicaciones de larga vida. Finalmente ocurre un tercer estado en el cual la velocidad de termofluencia aumenta rápidamente con el tiempo hasta que se fractura.
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3.1.11 Fatiga La fatiga de los materiales se da cuando se ejercen fuerzas repetidas aplicadas sobre el material creando pequeñas grietas que pueden llegar a producir una ruptura del material. . Es un fenómeno muy importante, ya que es la primera causa de rotura de los materiales metálicos (aproximadamente el 90%).
Muchas aplicaciones industriales llevan asociada una carga cíclica en lugar de estática y en ese caso, los materiales se romperán a tensiones mucho menores que aquellas que puede soportar la pieza bajo la aplicación de una única tensión estática. La fatiga es el fenómeno general de fallo del material tras varios ciclos de aplicación de una tensión menor a la de rotura. El aspecto de las piezas rotas por fatiga presentan en su superficie de rotura dos zonas características que son: • Una zona lisa, de estructura finísima y brillante: la rotura por fatiga se da después de un periodo relativamente largo. • Una zona de cristales grandes, o de estructura fibrosa: cuando la rotura por fatiga se da instantáneamente debido a la disminución de sección. Las circunstancias que influyen en la rotura por fatiga de un material metálico son: • Estado de la superficie: el estado de esta tiene gran importancia sobre la rotura por fatiga. • Variaciones de sección: el límite de fatiga se reduce por los cambios bruscos de sección no acordados con radios amplios, entalladuras de cualquier otra clase. • Temperatura: en casi todos los materiales metálicos el aumento de temperatura por encima de cierto valor, disminuye el límite de fatiga. • Tratamientos térmicos: las zonas internas con exceso de temperaturas, provocadas por tratamientos térmicos, crean localización de esfuerzos que pueden originar fisuras. Pág. 65
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• Homogeneidad de la estructura cristalina: cuando la estructura no es homogénea puede suceder que los cristales más pequeñas, se acuñen entre las más grandes, originando fisuras y la consiguiente disminución de sección. • Corrosión: cuando la corrosión existe no tiene tanto problema., pero si va actuando, cada punto de corrosión se convierte como si fuera una entalle rebajando notablemente el límite de fatiga. Un esquema de la máquina típica para realizar un ensayo de fatiga se muestra en la figura. Aquí la probeta está sujeta a tensiones de compresión y extensión alternas de igual magnitud mientras se rota. Se cuenta el número de ciclos que soporta la muestra antes de fallar y se realiza una gráfica Tensión Vs número de ciclos (en escala logarítmica)
Fig. 2-14 Ensayo de Fatiga de un Acero Para los materiales ferrosos, la perdida de resistencia con el número de ciclos alcanza un límite denominado Resistencia a la fatiga ó Límite de vida a fatiga. Los materiales no férreos no tienen un límite tan marcado, aunque la velocidad de pérdida de resistencia disminuye con el número de ciclos y en este caso se escoge un número de ciclos tal como para establecer el límite. La resistencia a la fatiga es como la cuarta parte o la mitad de la resistencia a la tracción. Pág. 66
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Fig. 2-14 Curvas de Fatiga
3.2 Propiedades Metalúrgicas 3.2.1 Estructura Cristalina La Estructura cristalina es la forma geométrica de como los átomos, moléculas o iones se encuentran espacialmente ordenados. De tal manera que los átomos están ordenados en el espacio según una red geométrica constituida por la repetición de un elemento básico llamado cristal. Se conocen catorce redes espaciales distintas las cuales son las únicas formas posibles de ordenar los átomos en el espacio. La mayor parte de los metales cristalizan en las redes siguientes: cúbica centrada, cúbica centrada en las caras y hexagonal compacta.
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Fig. 2-15 Estructuras Cristalinas del Acero FCC (Cubic Center Face)
3.2.2 Fases Metálicas En el diagrama de equilibro, o de fases, Fe-C se representan las transformaciones que sufren los aceros al carbono con la temperatura, admitiendo que el calentamiento (o enfriamiento) de la mezcla se realiza muy lentamente de modo que los procesos de difusión (homogeneización) tienen tiempo para completarse. Dicho diagrama se obtiene experimentalmente identificando los puntos críticos —temperaturas a las que se producen las sucesivas transformaciones— por métodos diversos.
Fig. 2-16 Diagrama Hierro - Carbono Pág. 68
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El hierro puro presenta tres estados alotrópicos a medida que se incrementa la temperatura desde la ambiente: • Hasta los 911 °C, el hierro ordinario, cristaliza en el sistema cúbico centrado en el cuerpo (BCC) y recibe la denominación de hierro α o ferrita. Es un material dúctil y maleable responsable de la buena forjabilidad de las aleaciones con bajo contenido en carbono y es ferromagnético hasta los 768 °C (temperatura de Curie a la que pierde dicha cualidad). La ferrita puede disolver muy pequeñas cantidades de carbono. • Entre 911 y 1400 °C cristaliza en el sistema cúbico centrado en las caras (FCC) y recibe la denominación de hierro γ o austenita. Dada su mayor compacidad la austenita se deforma con mayor facilidad y es paramagnética. • Entre 1400 y 1538 °C cristaliza de nuevo en el sistema cúbico centrado en el cuerpo y recibe la denominación de hierro δ que es en esencia el mismo hierro alfa pero con parámetro de red mayor por efecto de la temperatura. A mayor temperatura el hierro se encuentra en estado líquido. Si se añade carbono al hierro, sus átomos podrían situarse simplemente en los intersticios de la red cristalina de éste último; sin embargo en los aceros aparece combinado formando carburo de hierro (Fe3C), es decir, un compuesto químico definido y que recibe la denominación de cementita de modo que los aceros al carbono están constituidos realmente por ferrita y cementita.
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Fig. 2-17 Diagrama Hierro – Carburo de Hierro
3.2.2.1 Ferrita Es una solución sólida de carbono en hierro alfa, su solubilidad a la temperatura ambiente es del orden de 0.008% de carbono, por esto se considera como hierro puro, la máxima solubilidad de carbono en el hierro alfa es de 0,02% a 723 °C. Ferrita es el microconstituyente del Acero más suave. La modificación estructural del hierro puro a temperatura ambiente se llama indistintamente ferrita o hierro α (alfa)y es bastante suave y dúctil. Pág. 70
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Como la ferrita tiene una estructura cubica de cuerpo centrado, los espacios interatómicos son pequeños y marcadamente achatados y no pueden acomodar fácilmente ni al pequeño átomo esférico del carbono. Por tanto la solubilidad del carbono en la ferrita es muy lenta. El átomo de carbono es muy pequeño para una solución solida por substitución, y demasiado grande para una solución solida de intersticios.
Fig. 2-18 Ferrita
3.2.2.2 Austenita Es el constituyente más denso de los aceros y está formado por una solución sólida por inserción de carbono en hierro gamma. La cantidad de carbono disuelto, varía de 0.8 al 2 % C que es la máxima solubilidad a la temperatura de 1130 °C. La austenita no es estable a la temperatura ambiente pero existen algunos aceros al cromo-níquel denominados austeníticos cuya estructura es austenita a temperatura ambiente.
La austenita está formada por cristales cúbicos centrados en las caras, Pág. 71
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con una dureza de 300 Brinell, una resistencia a la tracción de 100 kg/mm2 y un alargamiento del 30 %, no es magnética. La austenita no puede atarcarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados. La austenita no puede atarcarse con nital, se disuelve con agua regia en glicerina apareciendo como granos poligonales frecuentemente maclados, puede aparecer junto con la martensita en los aceros templados. Austenita es otro microconstituyente del Acero, es más duro que la ferrita. La modificación de caras centradas del hierro se llama Austenita o hierro γ (gamma) y es la forma estable de hierro puro a temperaturas entre 904ºC y 1398ºC. La austenita no es ferromagnética a ninguna temperatura. La estructura cubica de caras centradas del hierro, tiene mayores espacios interatómicos que la ferrita. Aun así, los huecos en la estructura de caras centradas apenas son lo suficientemente grandes para amontonar los átomos de carbono en los intersticios, y este amontonamiento produce esfuerzos en la estructura. Como resultado, no todos los espacios podrán llenarse en cualquier momento dado. La solubilidad máxima es de solo 2% (9% en átomos) de carbono. Por definición los aceros continen menos del 2% de carbono; así los aceros pueden tener su carbono completamente disuelto en la austenita a altas temperaturas.
Fig. 2-19 Austenita Pág. 72
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3.2.2.3 Cementita Es el carburo de hierro de fórmula Fe3C, contiene 6.67 %C y 93.33 % de hierro, es el microconstituyente más duro y frágil de los aceros al carbono, alcanzando una dureza Brinell de 700 (68 Rc) y cristaliza en la red ortorómbica. En las probetas atacadas con ácidos se observa de un blanco brillante y aparece como cementita primaria o proeutéctica en los aceros con más de 0.9%C formando una red que envuelve los granos de perlita, formando parte de la perlita como láminas paralelas separadas por otras láminas de ferrita, se presenta en forma de glóbulos o granos dispersos en una matriz de ferrita, cuando los aceros de alto carbono se han sometido a un recocido de globulización, en los aceros hipoeutectoides que no han sido bien templados.
Fig. 2-20 Cementita
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3.2.2.4 Perlita La perlita es un constituyente compuesto por el 86,5% de ferrita y el 13,5% de cementita. Como la fase mayoritaria es la ferrita, las propiedades estarán más próximas a las de la ferrita: dureza 200 brinell, resistencia: 80kg/mm2, alargamiento: 15% y resiliencia: 10kg/mm2. Se le da este nombre porque tiene la apariencia de una perla al observarse microscópicamente a pocos aumentos.
Fig. 2-21 Perlita La perlita aparece en granos denominados "colonias"; dentro de cada colonia las capas están orientadas esencialmente en la misma dirección y esta dirección varía de una colonia a otra. Las capas delgadas claras son de ferrita, y la cementita aparece como capas delgadas más oscuras. La mayoría de las capas de cementita son tan delgadas que los límites de fases adyacentes no se distinguen.
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3.2.3
Continuidad Metálica
La continuidad metálica es la homogenización de las propiedades en cada punto constituyente del metal. La soldadura es un proceso por excelencia que busca establecer la continuidad metálica entre las partes como metales base y el depósito metálico de soldadura.
Fig. 2-22 Continuidad metálica en soldadura
3.2.4 Cristalización Cristalización: Se entiende por cristalización el paso del estado líquido al estado sólido, el cual se realiza en dos fases: • formación de los núcleos • crecimiento de los cristales Cuando un líquido pasa al estado sólido se libera energía proveniente de la disminución de la energía potencial que separaba los átomos en el estado líquido, que se ve disminuida al aproximarse los átomos es este nuevo estado. A este calor se le llama calor latente de fusión. Para que se creen los núcleos es necesario que exista un sub-enfriamiento. Esta temperatura se verá disminuida por la presencia de impurezas sólidas en el líquido, las cuales disminuyen la cantidad de energía superficial necesaria. Cuando la temperatura del metal liquido disminuye lo suficiente por debajo del punto de solidificación, se forman espontáneamente en distintos puntos Pág. 75
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del líquido, agrupaciones o núcleos estables. Estos núcleos que son porciones de líquido solidificadas, actúan como gérmenes de cristalización. A medida que continúa el enfriamiento, se solidifican más átomos, los cuales se agregan a los núcleos ya formados o constituyen nuevos. Núcleos de cristalización. Cada núcleo atrae a nuevos átomos de líquido que van ordenándose con arreglo a la red espacial del metal, y éstos van continuándose creciendo en las 3 direcciones, agrupándose los átomos a lo largo de determinadas direcciones preferentes, que por lo general son los ejes cristalográficos. Este proceso de solidificación da origen a una estructura dendrítica, recibiendo estas arborescencias el nombre de dendritas. Las dendritas tendrán direcciones diferentes, lo que provoca que al conectarse una dendrita con otra, orientada de manera distinta, formen los denominados límites de grano. A la región entre límites de grano se le conoce como grano.
Fig. 2-21 Cristalización
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3.2.5 Recristalizacion Con este nombre se conoce al tratamiento cuyo objetivo es destruir mediante calentamiento la estructura distorsionada por el trabajo en frío y hacer que adopte una forma libre de deformaciones. Este proceso se realiza en estado sólido, y el calentamiento va seguido normalmente de un enfriamiento lento en el horno desde la temperatura alcanzada. El proceso de recocido puede dividirse en tres fases: restauración o recuperación, recristalización y crecimiento de grano. 1) La recuperación: la restauración consiste fundamentalmente en la eliminación de tensiones internas y se realiza con simples alentamientos a bajas temperaturas. Cuando cesa de actuar sobre un material policristalino la carga que ha originado su deformación plástica, no desaparece totalmente la deformación elástica, ya que la diferente orientación de los cristales hace que alguno de ellos no pueda recuperar su posición inicial. Cuando la temperatura aumenta, algunos de estos átomos deformados elásticamente vuelven a su estado anterior, eliminándose la mayor parte de las tensiones internas. En algunos casos puede haber un ligero flujo plástico que provoca un ligero endurecimiento y aumento de la resistencia. La conductividad eléctrica también aumenta, pero la microestructura no presenta ningún cambio apreciable. Industrialmente, este tratamiento de estabilización a bajas temperaturas se denomina recocido de alivio de tensiones. 2) La recristalización: Al aumentar la temperatura de restauración se hacen perceptibles en la microestructura nuevos cristales diminutos. Estos tienen la misma composición y presentan la misma estructura cristalina que los granos originales sin deformar, y su forma no es alargada, sino que son aproximadamente de dimensiones uniformes (equiaxiales). Por lo general se suelen desarrollar en las zonas del grano más intensamente deformadas, como suelen ser los límites de grano y los planos de deslizamiento. Las agrupaciones de átomos que dan lugar a estos nuevos cristales se denominan núcleos. El fenómeno de la recristalización puede considerarse como la combinación de dos procesos distintos, uno de nucleación de granos libres de distorsión, y otro de crecimiento de estos núcleos, los cuales se desarrollan absorbiendo el material inestable trabajado en frío. Pág. 77
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En la deformación plástica los planos de deslizamientos y los límites de grano son puntos localizados de energía interna elevada, debido a la acumulación de dislocaciones en ellos. Ahora bien, la misma naturaleza de la acritud impide a los átomos de la red distorsionada moverse para formar una red libre de distorsión. Esta energía absorbida por la deformación en frío, no puede recuperarse de otra forma que no sea aplicándole calor, para luego cederla en forma de energía de recristalización y desarrollar nuevos núcleos de granos libres de distorsión. Parte de este calor es absorbido por los átomos vecinos, los cuales cuentan, gracias a esto con la energía suficiente para vencer la rigidez de la red distorsionada y poder pasar a formar parte de la estructura cristalina de los granos libres de distorsión, iniciándose el crecimiento del grano. El número de puntos de energía elevada es proporcional al porcentaje de deformación en frío aplicado. 3) Temperatura de recristalización: es la temperatura a la cual un material con mucha acritud cristaliza en una hora. Cuanto mayor es la deformación previa del metal, más baja es la temperatura necesaria para provocar la recristalización, ya que la red está más distorsionada y la energía interna con que cuenta es mayor. Al aumentar la duración del recocido, disminuye la temperatura de recristalización. El proceso de recristalización es mucho más sensible a las variaciones de temperatura que a las variaciones del tiempo de permanencia a temperatura constante. El comienzo de la recristalización viene indicado por una caída brusca de la resistencia a la tracción. Para que se produzca la recristalización en un metal es preciso un mínimo de deformación plástica (normalmente del 2 al 8 %). Este valor mínimo de la deformación se conoce como deformación crítica. Para valores de la deformación inferiores a éste, los núcleos de recristalización que se forman son muy poco numerosos.
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Fig. 2-22 Cristalización
3.2.6 Grano El grano como unidad es un solo cristal que normalmente tiene una forma externa cristalina regular. La forma de un grano en un sólido se controla generalmente por la presencia de los granos que lo rodean. El tamaño de grano de los materiales sólidos es función de la velocidad de crecimiento y de la nucleación. Un enfriamiento rápido produce la formación de granos finos y abundantes, mientras que en los enfriamientos lentos, el grano tiene tiempo para formarse y solo se forman unos pocos núcleos, los cuales posteriormente crecen, solidificando todo el líquido antes de que pueda aumentar el número de núcleos. Este último enfriamiento da lugar a granos bastos. Para la formación de un monocristal, introducimos un cristal minúsculo (germen), que crecerá extendiéndose por el líquido, para luego eliminarlo cuidadosamente. Podemos definir una serie de propiedades importantes relacionadas con el crecimiento del grano: Factores que contribuyen a aumentar la velocidad de nucleación: a) La presencia de impurezas insolubles, como el aluminio y el titanio, que dan Pág. 79
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lugar a la formación de óxidos insolubles en el acero b) La agitación del metal fundido durante la solidificación, la cual hace que los cristales se rompan antes de haber alcanzado un tamaño excesivamente grande. c) Propiedades físicas del material en función del tamaño del grano: En términos generales podemos decir que los materiales con una estructura de grano fino presenta mayor tenacidad o resistencia al choque, más dureza y resistencia a la tracción que las estructuras de grano basto. d) Solidificación en molde (formación de granos equiaxiales y columnares) En el proceso práctico de solidificación, cuando se pone en contacto un líquido caliente con la superficie inicialmente fría de un molde, se establece en el líquido un gradiente de temperatura. La superficie del líquido, en contacto con las paredes del molde, se encuentra a una temperatura inferior a la del centro, lo que provoca la formación en la zona exterior del líquido de muchos núcleos de cristalización que empiezan a crecer en todas direcciones (grano equiaxial) . Estos pronto interfieren entre sí en su crecimiento lateral, pudiendo crecer sin trabas solo en dirección radial o hacia el centro. Los granos que se forman en la zona central, presentan pues, forma de columnas alargadas, perpendiculares a la superficie del molde, o estructura columnar (grano columnar). En las proximidades del molde, los granos son pequeños debido a la velocidad de crecimiento, pero a medida que nos aproximamos al centro, como la velocidad de crecimiento va disminuyendo, los granos son mayores y alargados Límite de borde de grano.
Fig. 2-23 Granos Pág. 80
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3.2.7 Límite de borde de grano Entre dos granos existe una zona que se conoce como zona de transición o límite de grano o borde de grano, que no está alineada con ningún grano. Cuando se observa un metal al microscopio, aun cuando no pueden verse los átomos individuales, se pueden localizar fácilmente las líneas intercristalina. El material intergranular o intercristalino es la zona de transición entre los alineamientos cristalinos en dos granos adyacentes. Aun cuando esta zona se calcula ser solo unos cuantos átomos de ancho, la disposición desordenada del material intercristalino influye en varias formas sobre las propiedades del metal.
Fig. 2-23 Límite o Borde de Granos Una de ellas está relacionada con la difusión en estado sólido. El acomodamiento menos denso a lo largo de las líneas intercristalinas o material intercristalino, proprociona una trayectoria para un movimiento más rápido de átomos, que la que es posible a través de una red cristalina. Además, como los átomos del material intercristalino no están lo suficientemente cerca para ocupar las posiciones de menor energía, tienen mayor energía que los átomos alineados dentro de los granos.
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3.3 Propiedades térmicas 3.3.1
Temperatura
La temperatura es una medida utilizada por la física y la química, que expresa el nivel de agitación que poseen los átomos de un cuerpo (concepto también aplicable al ambiente, que es un cuerpo gaseoso). De manera coloquial relacionamos la temperatura con la sensación subjetiva del "calor", lo que no es preciso ya que en realidad sentimos subjetivamente lo que llamamos "calor" cuando entramos en contacto por ejemplo con un ambiente a mayor temperatura que la de nuestro cuerpo, habiendo transferencia de energía. La temperatura entonces está relacionada con la energía interna (técnicamente la suma de la energía asociada al movimiento de las partículas, lo que conocemos cono energía cinética interna, más la energía potencial interna) de un cuerpo; es decir a mayor temperatura mayor será la energía interna. La termodinámica es una rama de la física que estudia la temperatura, además de la presión y el volumen de los sistemas físicos a nivel microscópico. Destacan entre los conceptos asociados a la temperatura lo que se conoce como el equilibrio térmico, que se da cuando dos cuerpos en contacto térmico tienen la misma temperatura, o sea cuando no hay flujo de calor (energía) entre ellos. Por el contrario, al estar en contacto dos cuerpos a diferente temperatura, tendremos un flujo de calor o energía desde el cuerpo de mayor temperatura hasta que ambos cuerpos lleguen al equilibrio térmico. El instrumento que se utiliza para medir la temperatura es el termómetro. Los primeros se basaban en la dilatación de un material específico que se encontraba dentro del termómetro. A medida que aumenta la temperatura, se produce la dilatación que marca el resultado. Por lo general, se utilizaba el mercurio como material para la dilatación. La desventaja que trae consigo la utilización del termómetro de mercurio es su efecto contaminante.
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Fig. 2-24 Medición de Temperatura
3.3.2 Calor El calor es la transferencia de energía entre diferentes cuerpos o diferentes zonas de un mismo cuerpo que se encuentran a distintas temperaturas. Este flujo siempre ocurre desde el cuerpo de mayor temperatura hacia el cuerpo de menor temperatura, ocurriendo la transferencia de calor hasta que ambos cuerpos se encuentren en equilibrio térmico (ejemplo: una bebida fría dejada en una habitación se entibia). La energía puede ser transferida por diferentes mecanismos, entre los que cabe reseñar la radiación, la conducción y la convección, aunque en la mayoría de los procesos reales todos se encuentran presentes en mayor o menor grado. La energía que puede intercambiar un cuerpo con su entorno depende del tipo de transformación que se efectúe sobre ese cuerpo y por tanto depende del camino. Los cuerpos no tienen calor, sino energía interna. El calor es parte de dicha energía interna (energía calorífica) transferida de un sistema a otro, lo que sucede con la condición de que estén a diferente temperatura. La energía existe en varias formas. En este caso nos enfocamos en el calor, que es la forma de la energía que se puede transferir de un sistema a otro como resultado de la diferencia de temperatura. Pág. 83
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• Calor específico (C): cantidad de energía necesaria para aumentar en 1 ºC la temperatura de 1 kg de material. Indica la mayor o menor dificultad que presenta una sustancia para experimentar cambios de temperatura bajo el suministro de calor. Los materiales que presenten un elevado calor específico serán buenos aislantes. Sus unidades del Sistema Internacional son J/(kg•K), aunque también se suele presentar como kcal/(kg•ºC); siendo 1 cal = 4,184 J. Por otra parte, el producto de la densidad de un material por su calor específico (ρ • C) caracteriza la inercia térmica de esa sustancia, siendo esta la capacidad de almacenamiento de energía.
Fig. 2-25 Calor
3.3.3 Expansión Térmica La expansión térmica es la tendencia de la materia a cambio de volumen en respuesta a un cambio en la temperatura. Cuando una sustancia se calienta, sus partículas empiezan a moverse y se vuelven activas, manteniendo así una separación superior a la media. Materiales que se contraen con el aumento de temperatura son raros; este efecto es limitado en tamaño, y sólo se produce dentro de los rangos de temperatura limitado. El grado de expansión dividido por el cambio en la temperatura se llama el material con el coeficiente de expansión térmica y generalmente varía con la temperatura. Pág. 84
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Sólidos comunes de ingeniería por lo general tienen coeficientes de expansión térmica que no varían significativamente en el rango de temperaturas en el que están diseñados para ser utilizados, por lo que una exactitud muy alta no es necesario, los cálculos pueden basarse en una constante, el valor promedio del coeficiente de expansión. Calcular con más exactitud la expansión térmica de una sustancia, una ecuación de estado debe ser utilizado, que luego predecir los valores de la expansión térmica en todas las temperaturas y presiones necesarias, junto con muchas otras funciones de Estado.
Fig. 2-26 Expansión Térmica
Fig. 2-27 Junta de Dilatación Térmica
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3.3.4 Conductividad Térmica La Conductividad térmica (k) es la capacidad de un material para transferir calor. La conducción térmica es el fenómeno por el cual el calor se transporta de regiones de alta temperatura a regiones de baja temperatura dentro de un mismo material o entre diferentes cuerpos. Las unidades de conductividad térmica en el Sistema Internacional son W/(m•K), aunque también se expresa como kcal/ (h•m•ºC), siendo la equivalencia: 1 W/(m•K) = 0,86 kcal/(h•m•ºC).
Fig. 2-28 Conductividad Térmica
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3.4 Propiedades eléctricas 3.4.1 Resistividad Se le llama resistividad al grado de dificultad que encuentran los electrones en sus desplazamientos. Se designa por la letra griega rho minúscula (ρ) y se mide en ohms por metro (Ω·m), a veces también en Ω·mm²/m). Su valor describe el comportamiento de un material frente al paso de corriente eléctrica, por lo que da una idea de lo buen o mal conductor que es. Un valor alto de resistividad indica que el material es mal conductor mientras que uno bajo indicará que es un buen conductor. Generalmente la resistividad de los metales aumenta con la temperatura, mientras que la resistividad de los semiconductores disminuye ante el aumento de la temperatura.
Fig. 2-33 Resistividad de la Tierra Pág. 87
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3.4.2 Conductividad La conductividad eléctrica es la capacidad de un cuerpo o medio para conducir la corriente eléctrica, es decir, para permitir el paso a través de él de partículas cargadas, bien sean los electrones, los transportadores de carga en conductores metálicos o semimetálicos, o iones, los que transportan la carga en disoluciones de electrolitos. También es definida como la propiedad natural característica de cada cuerpo que representa la facilidad con la que los electrones (y huecos en el caso de los semiconductores) pueden pasar por él. Varía con la temperatura. Es una de las características más importantes de los materiales. La conductividad es la inversa de la resistividad, por tanto, y su unidad es el S/m (siemens por metro) o Ω-1·m-1. Usualmente la magnitud de la conductividad (σ) es la proporcionalidad entre el campo eléctrico y la densidad de corriente de conducción: No confundir con la conductancia (G), que es la facilidad de un objeto o circuito para conducir corriente eléctrica entre dos puntos. Se define como la inversa de la resistencia.
3.4.2.1 Conductividad en diferentes medios Los mecanismos de conductividad difieren entre los tres estados de la materia. Por ejemplo en los sólidos los átomos como tal no son libres de moverse y la conductividad se debe a los electrones. En los metales existen electrones cuasilibres que se pueden mover muy libremente por todo el volumen, en cambio en los aislantes, muchos de ellos son sólidos iónicos, apenas existen electrones libres y por esa razón son muy malos conductores.
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Fig. 2-34 Conductividad - Principio
1) Conductividad en medios líquidos La conductividad en medios líquidos (Disolución) está relacionada con la presencia de sales en solución, cuya disociación genera iones positivos y negativos capaces de transportar la energía eléctrica si se somete el líquido a un campo eléctrico. Estos conductores iónicos se denominan electrolitos o conductores electrolíticos. Las determinaciones de la conductividad reciben el nombre de determinaciones conductométricas y tienen muchas aplicaciones como, por ejemplo: En la electrólisis, ya que el consumo de energía eléctrica en este proceso depende en gran medida de ella. En los estudios de laboratorio para determinar el contenido de sales de varias soluciones durante la evaporación del agua (por ejemplo en el agua de calderas o en la producción de leche condensada). En el estudio de las basicidades de los ácidos, puesto que pueden ser determinadas por mediciones de la conductividad. Para determinar las solubilidades de electrólitos escasamente solubles y para hallar concentraciones de electrólitos en soluciones por titulación. La base de las determinaciones de la solubilidad es que las soluciones saturadas de Pág. 89
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electrólitos escasamente solubles pueden ser consideradas como infinitamente diluidas. Midiendo la conductividad específica de semejante solución y calculando la conductividad equivalente según ella, se halla la concentración del electrólito, es decir, su solubilidad. Un método práctico sumamente importante es el de la titulación conductométrica, o sea la determinación de la concentración de un electrólito en solución por la medición de su conductividad durante la titulación. Este método resulta especialmente valioso para las soluciones turbias o fuertemente coloreadas que con frecuencia no pueden ser tituladas con el empleo de indicadores. La conductividad eléctrica se utiliza para determinar la salinidad (contenido de sales) de suelos y substratos de cultivo, ya que se disuelven éstos en agua y se mide la conductividad del medio líquido resultante. Suele estar referenciada a 25 °C y el valor obtenido debe corregirse en función de la temperatura. Coexisten muchas unidades de expresión de la conductividad para este fin, aunque las más utilizadas son dS/m (deciSiemens por metro), mmhos/cm (milimhos por centímetro) y según los organismos de normalización europeos mS/m (miliSiemens por metro). El contenido de sales de un suelo o substrato también se puede expresar por la resistividad (se solía expresar así en Francia antes de la aplicación de las normas INEN).
2) Conductividad en medios sólidos Según la teoría de bandas de energía en sólidos cristalinos, son materiales conductores aquellos en los que las bandas de valencia y conducción se superponen, formándose una nube de electrones libres causante de la corriente al someter al material a un campo eléctrico. Estos medios conductores se denominan conductores eléctricos. La Comisión Electrotécnica Internacional definió como patrón de la conductividad eléctrica: Un hilo de cobre de 1 metro de longitud y un gramo de masa, que da una resistencia de 0,15388 Ω a 20 °C al que asignó una conductividad eléctrica de 100% IACS (International Annealed Cooper Standard, Estándar Internacional de Cobre Recocido). A toda aleación de cobre con una conductividad mayor que 100% IACS se le denomina de alta conductividad (H.C. por sus siglas inglesas). Pág. 90
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Fig. 2-35 Conductividad - Principio
3.4.3 Magnetismo El magnetismo (del latín magnes, -ētis, imán) es un fenómeno físico por el que los materiales ejercen fuerzas de atracción o repulsión sobre otros materiales. Hay algunos materiales conocidos que han presentado propiedades magnéticas detectables fácilmente como el níquel, hierro, cobalto y sus aleaciones que comúnmente se llaman imanes. Sin embargo todos los materiales son influidos, de mayor o menor forma, por la presencia de un campo magnético. El magnetismo también tiene otras manifestaciones en física, particularmente como uno de los dos componentes de la radiación electromagnética, como por ejemplo, la luz.
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Fig. 2-36 Campo Magnético – Principio
a) Breve explicación del magnetismo Cada electrón es, por su naturaleza, un pequeño imán (véase Momento dipolar magnético electrónico). Ordinariamente, innumerables electrones de un material están orientados aleatoriamente en diferentes direcciones, pero en un imán casi todos los electrones tienden a orientarse en la misma dirección, creando una fuerza magnética grande o pequeña dependiendo del número de electrones que estén orientados. Además del campo magnético intrínseco del electrón, algunas veces hay que contar también con el campo magnético debido al movimiento orbital del electrón alrededor del núcleo. Este efecto es análogo al campo generado por una corriente eléctrica que circula por una bobina (ver dipolo magnético). De nuevo, en general el movimiento de los electrones no da lugar a un campo magnético en el material, pero en ciertas condiciones los movimientos pueden alinearse y producir un campo magnético total medible. El comportamiento magnético de un material depende de la estructura del material y, particularmente, de la configuración electrónica. Pág. 92
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b) Historia Los fenómenos magnéticos fueron conocidos por los antiguos griegos. Se dice que por primera vez se observaron en la ciudad de Magnesia del Meandro en Asia Menor, de ahí el término magnetismo. Sabían que ciertas piedras atraían el hierro, y que los trocitos de hierro atraídos atraían a su vez a otros. Estas se denominaron imanes naturales.[cita requerida] El primer filósofo que estudió el fenómeno del magnetismo fue Tales de Mileto, filósofo griego que vivió entre 625 a. C. y 545 a. C.1 En China, la primera referencia a este fenómeno se encuentra en un manuscrito del siglo IV a. C. titulado Libro del amo del valle del diablo: «La magnetita atrae al hierro hacia sí o es atraída por éste».2 La primera mención sobre la atracción de una aguja aparece en un trabajo realizado entre los años 20 y 100 de nuestra era: «La magnetita atrae a la aguja». El científico Shen Kua (1031-1095) escribió sobre la brújula de aguja magnética y mejoró la precisión en la navegación empleando el concepto astronómico del norte absoluto. Hacia el siglo XII los chinos ya habían desarrollado la técnica lo suficiente como para utilizar la brújula para mejorar la navegación. Alexander Neckham fue el primer europeo en conseguir desarrollar esta técnica en 1187. El conocimiento del magnetismo se mantuvo limitado a los imanes, hasta que en 1820, Hans Christian Ørsted, profesor de la Universidad de Copenhague, descubrió que un hilo conductor sobre el que circulaba una corriente ejercía una perturbación magnética a su alrededor, que llegaba a poder mover una aguja magnética situada en ese entorno.3 Muchos otros experimentos siguieron con André-Marie Ampère, Carl Friedrich Gauss, Michael Faraday y otros que encontraron vínculos entre el magnetismo y la electricidad. James Clerk Maxwell sintetizó y explicó estas observaciones en sus ecuaciones de Maxwell. Unificó el magnetismo y la electricidad en un solo campo, el electromagnetismo. En 1905, Einstein usó estas leyes para comprobar su teoría de la relatividad especial,4 en el proceso mostró que la electricidad y el magnetismo estaban fundamentalmente vinculadas. El electromagnetismo continuó desarrollándose en el siglo XX, siendo incorporado en las teorías más fundamentales, como la teoría de campo de Pág. 93
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gauge, electrodinámica cuántica, teoría electrodébil y, finalmente, en el modelo estándar.
c) Campo magnético El fenómeno del magnetismo es ejercido por un campo magnético, por ejemplo, una corriente eléctrica o un dipolo magnético crea un campo magnético, éste al girar imparte una fuerza magnética a otras partículas que están en el campo.
Fig. 2-37 Creación de campo magnético en tubo Para una aproximación excelente (pero ignorando algunos efectos cuánticos, véase electrodinámica cuántica) las ecuaciones de Maxwell (que simplifican la ley de Biot-Savart en el caso de corriente constante) describen el origen y el comportamiento de los campos que gobiernan esas fuerzas. Por lo tanto el magnetismo se observa siempre que partículas cargadas eléctricamente están en movimiento. Por ejemplo, del movimiento de electrones en una corriente eléctrica o en casos del movimiento orbital de los electrones alrededor del núcleo atómico. Estas también aparecen de un dipolo magnético intrínseco que aparece de los efectos cuánticos, p.e. del spin de la mecánica cuántica. Pág. 94
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La misma situación que crea campos magnéticos (carga en movimiento en una corriente o en un átomo y dipolos magnéticos intrínsecos) son también situaciones en que el campo magnético causa sus efectos creando una fuerza. Cuando una partícula cargada se mueve a través de un campo magnético B, se ejerce una fuerza F dado por el producto cruz: donde es la carga eléctrica de la partícula, es el vector velocidad de la partícula y es el campo magnético. Debido a que esto es un producto cruz, la fuerza es perpendicular al movimiento de la partícula y al campo magnético. La fuerza magnética no realiza trabajo mecánico en la partícula, esto cambiaría la dirección del movimiento de ésta, pero esto no causa su aumento o disminución de la velocidad. La magnitud de la fuerza es : donde es el ángulo entre los vectores y. Una herramienta para determinar la dirección del vector velocidad de una carga en movimiento, es siguiendo la ley de la mano derecha (véase Regla de la mano derecha). El físico alemán Heinrich Lenz formuló lo que ahora se denomina la ley de Lenz, ésta da una dirección de la fuerza electromotriz (fem) y la corriente resultante de una inducción electromagnética.
d) Dipolos magnéticos Se puede ver una muy común fuente de campo magnético en la naturaleza, un dipolo. Éste tiene un “polo sur” y un “polo norte”, sus nombres se deben a que antes se usaban los magnetos como brújulas, que interactuaban con el campo magnético terrestre para indicar el norte y el sur del globo. Un campo magnético contiene energía y sistemas físicos que se estabilizan con configuraciones de menor energía. Por lo tanto, cuando se encuentra en un campo magnético, un dipolo magnético tiende a alinearse sólo con una polaridad diferente a la del campo, lo que cancela al campo lo máximo posible y disminuye la energía recolectada en el campo al mínimo. Por ejemplo, dos barras magnéticas idénticas pueden estar una a lado de otra normalmente alineadas de norte a sur, resultando en un campo magnético más pequeño y resiste cualquier intento de reorientar todos sus puntos en una misma dirección. La energía requerida para reorientarlos en esa configuración es entonces recolectada en el campo Pág. 95
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magnético resultante, que es el doble de la magnitud del campo de un magneto individual (esto es porque un magneto usado como brújula interactúa con el campo magnético terrestre para indicar Norte y Sur). Una alternativa formulada, equivalente, que es fácil de aplicar pero ofrece una menor visión, es que un dipolo magnético en un campo magnético experimenta un momento de un par de fuerzas y una fuerza que pueda ser expresada en términos de un campo y de la magnitud del dipolo (p.e. sería el momento magnético dipolar). Para ver estas ecuaciones véase dipolo magnético.
Dipolos magnéticos atómicos La causa física del magnetismo en los cuerpos, distinto a la corriente eléctrica, es por los dipolos atómicos magnéticos. Dipolos magnéticos o momentos magnéticos, en escala atómica, resultan de dos tipos diferentes del movimiento de electrones. El primero es el movimiento orbital del electrón sobre su núcleo atómico; este movimiento puede ser considerado como una corriente de bucles, resultando en el momento dipolar magnético del orbital. La segunda, más fuerte, fuente de momento electrónico magnético, es debido a las propiedades cuánticas llamadas momento de spin del dipolo magnético (aunque la teoría mecánica cuántica actual dice que los electrones no giran físicamente, ni orbitan el núcleo). El momento magnético general de un átomo es la suma neta de todos los momentos magnéticos de los electrones individuales. Por la tendencia de los dipolos magnéticos a oponerse entre ellos se reduce la energía neta. En un átomo los momentos magnéticos opuestos de algunos pares de electrones se cancelan entre ellos, ambos en un movimiento orbital y en momentos magnéticos de espín. Así, en el caso de un átomo con orbitales electrónicos o suborbitales electrónicos completamente llenos, el momento magnético normalmente se cancela completamente y solo los átomos con orbitales electrónicos semillenos tienen un momento magnético. Su fuerza depende del número de electrones impares.
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Fig. 2-38 Campo magnético terrestre La diferencia en la configuración de los electrones en varios elementos determina la naturaleza y magnitud de los momentos atómicos magnéticos, lo que a su vez determina la diferencia entre las propiedades magnéticas de varios materiales. Existen muchas formas de comportamiento magnético o tipos de magnetismo: el ferromagnetismo, el diamagnetismo y el paramagnetismo; esto se debe precisamente a las propiedades magnéticas de los materiales, por eso se ha estipulado una clasificación respectiva de estos, según su comportamiento ante un campo magnético inducido, como sigue: Unidades del SI relacionadas con el magnetismo • Tesla [T] = unidad de campo magnético. • Weber [Wb] = unidad de flujo magnético. • Amper [A] = unidad de corriente eléctrica, que genera campos magnéticos. Pág. 97
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Otras unidades • gauss, abreviado como G, es la unidad CGS de inducción magnética (B). • Oersted, es la unidad CGS de campo magnético. • Maxwell, es la unidad CGS de flujo magnético.
3.5 Propiedades químicas 3.5.1 Solubilidad química Es la propiedad de una sustancia para disolverse en otra; la sustancia que se disuelve recibe el nombre de soluto y la sustancia en que se disuelve recibe el nombre disolvente . Si el soluto se disuelve en grandes cantidades, decimos que es muy soluble; si lo hace en pequeñas cantidades es poco soluble, pero si no se disuelve en ninguna cantidad, lo llamamos insoluble. También puede definirse así: Solubilidad es la cantidad en gramos que se necesitan para saturar 100 gramos de disolvente o solvente determinado a una temperatura dada. Puede expresarse en moles por litro, en gramos por litro, o en porcentaje de soluto / disolvente. La solubilidad en el agua, se expresa como la cantidad en gramos de soluto que se disuelve a una temperatura dada. En la solubilidad, el carácter polar o apolar de la sustancia influye mucho, ya que, debido a estos la sustancia será más o menos soluble. Los compuestos con menor solubilidad son los que presentan menor reactividad como son: las parafinas, compuestos aromáticos y los derivados halogenados. El término solubilidad se utiliza tanto para designar al fenómeno cualitativo del proceso de disolución como para expresar cuantitativamente la concentración de las soluciones. La solubilidad de una sustancia depende de la naturaleza del disolvente y del soluto, así como de la temperatura y la presión del sistema, es decir, de la tendencia del sistema a alcanzar el valor máximo de entropía. Al proceso de interacción entre las moléculas del disolvente y las partículas del soluto para formar agregados se le llama solvatación (fenómeno que ocurre cuando un compuesto iónico se disuelve en un compuesto polar, sin formar una nueva sustancia) y si el solvente es agua, hidratación.2 Pág. 98
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Fig. 2-39 CONCEPTO DE SOLUBILIDAD QUIMICA Una solución (o disolución) es una mezcla de dos o más componentes, perfectamente homogénea ya que cada componente se mezcla íntimamente con el otro, de modo tal que pierden sus características individuales. Esto último significa que los constituyentes son indistinguibles y el conjunto se presenta en una sola fase (sólida, líquida o gas) bien definida. Una solución que contiene agua como solvente se llama solución acuosa. Si se analiza una muestra de alguna solución puede apreciarse que en cualquier parte de ella su composición es constante. Entonces, reiterando, llamaremos solución o disolución a las mezclas homogéneas que se encuentran en fase líquida. Es decir, las mezclas homogéneas que se presentan en fase sólida, como las aleaciones (acero, bronce, latón) o las que se hallan en fase gaseosa (aire, humo, etc.) no se les conoce como disoluciones. Las mezclas de gases, tales como la atmósfera, a veces también se consideran como soluciones. Las soluciones son distintas de los coloides y de las suspensiones en que las partículas del soluto son de tamaño molecular y están dispersas uniformemente entre las moléculas del solvente. Las sales, los ácidos, y las bases se ionizan cuando se disuelven en el agua Pág. 99
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Fig. 2-40 SOLUBILIDAD QUIMICA MOLECULAR Características de las soluciones (o disoluciones): I) Sus componente no pueden separarse por métodos físicos simples como decantación, filtración, centrifugación, etc. II) Sus componentes sólo pueden separase por destilación, cristalización, cromatografía. III) Los componentes de una solución son soluto y solvente.
Soluto es aquel componente que se encuentra en menor cantidad y es el que
se disuelve. El soluto puede ser sólido, líquido o gas, como ocurre en las bebidas gaseosas, donde el dióxido de carbono se utiliza como gasificante de las bebidas. El azúcar se puede utilizar como un soluto disuelto en líquidos (agua).
Solvente es aquel componente que se encuentra en mayor cantidad y es el
medio que disuelve al soluto. El solvente es aquella fase en que se encuentra la solución. Aunque un solvente puede ser un gas, líquido o sólido, el solvente más común es el agua. (Ver: El agua como solvente). IV) En una disolución, tanto el soluto como el solvente interactúan a nivel de sus componentes más pequeños (moléculas, iones). Esto explica el carácter Pág. 100
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homogéneo de las soluciones y la imposibilidad de separar sus componentes por métodos mecánicos.
Concentración Ya dijimos que las disoluciones son mezclas de dos o más sustancias, por lo tanto se pueden mezclar agregando distintas cantidades: Para saber exactamente la cantidad de soluto y de solvente de una disolución se utiliza una magnitud denominada concentración. Dependiendo de su concentración, las disoluciones se clasifican en diluidas, concentradas, saturadas, sobresaturadas.
Diluidas: si la cantidad de soluto respecto del solvente es pequeña. Ejemplo: una solución de 1 gramo de sal de mesa en 100 gramos de agua.
Concentradas: si la proporción de soluto con respecto del solvente es grande. Ejemplo: una disolución de 25 gramos de sal de mesa en 100 gramos de agua.
Saturadas: se dice que una disolución está saturada a una determinada
temperatura cuando no admite más cantidad de soluto disuelto. Ejemplo: 36 gramos de sal de mesa en 100 gramos de agua a 20º C. Si intentamos disolver 38 gramos de sal en 100 gramos de agua, sólo se disolvería 36 gramos y los 2 gramos restantes permanecerán en el fondo del vaso sin disolverse.
Sobresaturadas: disolución que contiene mayor cantidad de soluto que la
permitida a una temperatura determinada. La sobresaturación se produce por enfriamientos rápidos o por descompresiones bruscas. Ejemplo: al sacar el corcho a una botella de refresco gaseoso.
Modo de expresar las concentraciones Ya sabemos que la concentración de las soluciones es la cantidad de soluto contenido en una cantidad determinada de solvente o solución. También debemos aclarar que los términos diluida o concentrada expresan concentraciones relativas. Pág. 101
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Las unidades de concentración en que se expresa una solución o disolución pueden clasificarse en unidades físicas y en unidades químicas. Unidades físicas de concentración Las unidades físicas de concentración están expresadas en función del peso y del volumen, en forma porcentual, y son las siguientes: a) Tanto por ciento peso/peso %P/P = (cantidad de gramos de soluto) / (100 gramos de solución) b) Tanto por ciento volumen/volumen %V/V = (cantidad de cc de soluto) / (100 cc de solución) c) Tanto por ciento peso/volumen % P/V =(cantidad de gr de soluto)/ (100 cc de solución) a) Porcentaje peso a peso (% P/P): indica el peso de soluto por cada 100 unidades de peso de la solución.
b) Porcentaje volumen a volumen (% V/V): se refiere al volumen de soluto por cada 100 unidades de volumen de la solución.
c) Porcentaje peso a volumen (% P/V): indica el número de gramos de soluto que hay en cada 100 ml de solución.
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Fig. 2-41 LIMITE DE SOLUBILIDAD EN CEMENTITA
3.5.2 Punto de Fusión El punto de fusión es la temperatura a la cual encontramos el equilibrio de fases solido - liquido es decir la materia pasa de estado sólido a estado líquido, se funde, cabe destacar que el cambio de fase ocurre a temperatura constante. También se le llama punto de fusión, al punto de equilibrio a la hora de fundir el metal, y el punto más indicado y fácil para fusionar metales, según los escarbadores de la expedición de 2002 en Roquelway es más fácil de lo que imaginamos, con una máquina especializada se puede hacer esta tarea con facilidad. Al efecto de fundir un metal se le llama fusión (no podemos confundirlo con el punto de ebullición). También se suele denominar fusión al efecto de licuar o derretir congelada o pastosa o sólida en líquida. Pág. 103
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En la mayoría de las sustancias, el punto de fusión y de congelación, son iguales. Pero esto no siempre es así: por ejemplo, el Agar-agar se funde a 85 °C y se solidifica a partir de los 31 °C a 40 °C; este proceso se conoce como histéresis. El dispositivo de medición del punto de fusión M5000 es totalmente automático. A diferencia del punto de ebullición, el punto de fusión es relativamente insensible a la presión y, por tanto, pueden ser utilizados para caracterizar compuestos orgánicos y para comprobar la pureza. El punto de fusión de una sustancia pura es siempre más alto y tiene una gama más pequeña que el punto de fusión de una sustancia impura. Cuanto más impuro sea, más bajo es el punto de fusión y más amplia es la gama. Eventualmente, se alcanza un punto de fusión mínimo. El cociente de la mezcla que da lugar al punto de fusión posible más bajo se conoce como el punto eutéctico, perteneciente a cada átomo de temperatura de la sustancia a la cual se someta a la fusión.
Fig. 2-42 Fusión del Acero (Solido-Liquido)
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3.5.3 Punto de Ebullición El punto de ebullición es aquella temperatura en la cual la materia cambia de estado líquido a gaseoso, es decir se ebulle. Expresado de otra manera, en un líquido, el punto de ebullición es la temperatura a la cual la presión de vapor del líquido es igual a la presión del medio que rodea al líquido.1 En esas condiciones se puede formar vapor en cualquier punto del líquido. La temperatura de una sustancia o cuerpo depende de la energía cinética media de las moléculas. A temperaturas inferiores al punto de ebullición, sólo una pequeña fracción de las moléculas en la superficie tiene energía suficiente para romper la tensión superficial y escapar. Este incremento de energía constituye un intercambio de calor que da lugar al aumento de la entropía del sistema (tendencia al desorden de las partículas que lo componen). El punto de ebullición depende de la masa molecular de la sustancia y del tipo de las fuerzas intermoleculares de esta sustancia. Para ello se debe determinar si la sustancia es covalente polar, covalente no polar, y determinar el tipo de enlaces (dipolo permanente - dipolo inducido o puentes de hidrógeno)
Fig. 2-43 Estados del Acero (Solido-Liquido- Gas) Pág. 105
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3.5.4 Oxidación La oxidación es una reacción química donde un metal o un no metal cede electrones, y por tanto aumenta su estado de oxidación. La reacción química opuesta a la oxidación se conoce como reducción, es decir cuando una especie química acepta electrones. Estas dos reacciones siempre se dan juntas, es decir, cuando una sustancia se oxida, siempre es por la acción de otra que se reduce. Una cede electrones y la otra los acepta. Por esta razón, se prefiere el término general de reacciones redox. La propia vida es un fenómeno redox. El oxígeno es el mejor oxidante que existe debido a que la molécula es poco reactiva (por su doble enlace) y sin embargo es muy electronegativo, casi como el flúor. La sustancia más oxidante que existe es el catión KrF+ porque fácilmente forma Kr y F+. Entre varias sustancias con el mismo estado de oxidación; la capacidad oxidante difiere grandemente según el ligante Así el -CF3 tiene una electronegatividad (el C) similar a la del cloro (3,1) mucho mayor que por ejemplo -CBr3, aunque ambos tengan el mismo número de oxidación. Las propiedades del HBrO3 son muy diferentes a la del BrF5 éste último es mucho más oxidante aunque ambos tengan la misma valencia. Si el elemento está como grupo neutro o estado catiónico: KrF2 tiene una EN menor que el KrF+ aunque formalmente tengan el mismo número de oxidación. Así el MnF3 el MnF4(-1) y el MnF2(+1) todos con el mismo número de oxidación tienen EN diferentes. Las sustancias oxidantes más usuales son el permanganato potásico (KMnO4), el dicromato de potasio (K2Cr2O7), el agua oxigenada (H2O2), el ácido nítrico (HNO3), los hipohalitos y los halatos (por ejemplo el hipoclorito sódico (NaClO) muy oxidante en medio alcalino y el bromato potásico (KBrO3)). El ozono (O3) es un oxidante muy enérgico: Br(-1) + O3 = BrO3(-1) El nombre de “oxidación” proviene de que en la mayoría de estas reacciones, la transferencia de electrones se da mediante la adquisición de átomos de oxígeno (cesión de electrones) o viceversa. Sin embargo, la oxidación y la reducción puede darse sin que haya intercambio de oxígeno de por medio, por ejemplo, la oxidación de yoduro de sodio a yodo mediante la reducción de cloro a cloruro de Pág. 106
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sodio: 2NaI + Cl2 → I2 + 2NaCl Esta puede desglosarse en sus dos hemireacciones correspondientes: 2 I-1 ←→ I2 + 2 eCl2 + 2 e- ←→ 2 Cl-1 En estas dos ecuaciones queda explícita la transferencia de electrones. Si se suman las dos ecuaciones anteriores, se obtiene la primera.
Tipos de oxidación • Oxidación lenta o La que ocurre casi siempre en los metales a causa del agua o aire, causando su corrosión y pérdida de brillo y otras propiedades características de los metales, desprendiendo cantidades de calor inapreciables; al fundir un metal se acelera la oxidación, pero el calor proviene principalmente de la fuente que derritió el metal y no del proceso químico (una excepción sería el aluminio en la soldadura autógena). • Oxidación rápida o La que ocurre durante lo que ya sería la combustión, desprendiendo cantidades apreciables de calor, en forma de fuego, y ocurre principalmente en substancias que contienen carbono e hidrógeno, (Hidrocarburos)
Combinaciones Cuando el oxígeno se combina con un metal, puede formar o bien óxidos básicos o peróxidos, estos óxidos se caracterizan por ser de tipo básicos. Si se combina el oxígeno con un no metal forma óxidos ácidos también llamados anhídridos y caracterizados por ser de tipo ácido (actúan como ácido). Ejemplo Pág. 107
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El hierro puede presentar dos formas oxidadas. Fe2O2 → FeO Fe2O3
Consecuencias En los metales una consecuencia muy importante de la oxidación es la corrosión, fenómeno de impacto económico muy negativo. Combinando las reacciones de oxidación-reducción (redox) en una celda galvánica se consiguen las pilas electroquímicas(ver pila eléctrica). Estas reacciones pueden aprovecharse para evitar fenómenos de corrosión no deseados mediante la técnica del ánodo de sacrificio y para la obtención de corriente eléctrica continua.
g. 2-44 Oxidación del Acero
3.5.5 Resistencia a la corrosión La corrosión se define como el deterioro de un material a consecuencia de un ataque electroquímico por su entorno. De manera más general, puede entenderse como la tendencia general que tienen los materiales a buscar su forma más estable o de menor energía interna. Siempre que la corrosión esté originada por una reacción electroquímica (oxidación), la velocidad a la que tiene lugar dependerá en alguna medida de la temperatura, de la salinidad del fluido Pág. 108
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en contacto con el metal y de las propiedades de los metales en cuestión. Otros materiales no metálicos también sufren corrosión mediante otros mecanismos. El proceso de corrosión es natural y espontáneo. La corrosión puede ser mediante una reacción química (oxidorreducción) en la que intervienen tres factores: la pieza manufacturada, el ambiente y el agua, o por medio de una reacción electroquímica.
Fig. 2-45 Oxidación y Corrosión del Acero Los factores más conocidos son las alteraciones químicas de los metales a causa del aire, como la herrumbre del hierro y el acero o la formación de pátina verde en el cobre y sus aleaciones (bronce, latón). Sin embargo, la corrosión es un fenómeno mucho más amplio que afecta a todos los materiales (metales, cerámicas, polímeros, etc.) y todos los ambientes (medios acuosos, atmósfera, alta temperatura, etc.). Es un problema industrial importante, pues puede causar accidentes (ruptura de una pieza) y, además, representa un costo importante, ya que se calcula que cada pocos segundos se disuelven 5 toneladas de acero en el mundo, procedentes de unos cuantos nanómetros o picómetros, invisibles en cada pieza pero que, multiplicados por la cantidad de acero que existe en el mundo, constituyen una Pág. 109
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cantidad importante. La corrosión es un campo de las ciencias de materiales que invoca a la vez nociones de química y de física (físico-química).
Fig. 2-46 Corrosión del Acero
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