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issue: September 2005 APPLIANCE Latinoamerica

Soldadura Fuertes
Reduciendo las Fugas de Soldaduras Fuertes: Un Enfoque Estructurado hacia la Calidad


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por Robert M. Henson, director técnico, J.W. Harris Company - correo electróníco: editor@appliance.com

La soldadura fuerte por llama es un método industrial de unión común para una variedad de metales de base, pero su reparación puede resultar costosa si no se lleva a cabo adecuadamente. Al identificar los procesos de producción que afectan la soldadura fuerte, se pueden reducir las fugas.

Figura 1. Penetración insuficiente de la soldadura fuerte

La soldadura fuerte por llama se utiliza para unir tuberías o componentes diseñados para contener fluido o gas presurizado. En estas aplicaciones, es importante que la calidad de las conexiones esté asegurada. Las fugas en las juntas de las soldaduras generalmente son descubiertas durante los ensayos en fábrica o una vez que las partes están en servicio, lo cual encarece su reparación ya que es necesario tiempo adicional para identificarlas y repararlas.

Es importante que los ingenieros industriales revisen los principios de la soldadura fuerte y cómo éstos se aplican a los procesos de producción. Corregir las fugas en una soldadura puede resultar una tarea simple o puede requerir el cambio de diversas variables. Cualquiera sea el caso, es importante identificar los procesos que influyen negativamente en la soldadura y adoptar la medidas correctivas pertinentes.

Para producir una buena soldadura, es necesario controlar diversos componentes esenciales. Este documento se centrará en los componentes individuales del proceso de soldadura fuerte y proporcionará discernimiento acerca de las mejores prácticas en esta materia. Asimismo, en el documento se comentará cómo identificar y corregir los problemas básicos de fabricación para asegurar una soldadura de calidad.

Figura 2. Grietas en la soldadura

Soldadura Fuerte Principios

El objetivo principal del soldador es hacer que la aleación de aporte penetre totalmente en la junta. En 1998, la Copper Development Association (CDA) y el Air-Conditioning and Refrigeration Institute (ARI) realizaron una investigación sobre la aptitud de las soldaduras fuertes en las juntas de los sistemas de calentamiento, aire acondicionado y ventilación (HVAC/R). En dicha investigación se arribó a la conclusión de que la razón fundamental de las fallas en las pruebas de fatiga de los ciclos de vibración y de explosión estática se debían a la penetración incompleta del metal de aporte. Con frecuencia, se produce una acumulación o filete externo que impide la penetración necesaria de la soldadura (véase la Figura 1). Aunque estas juntas pueden pasar las pruebas de inspección, una vez en el campo, el esfuerzo o la vibración repetida puede conducir a una falla prematura (véase la Figura 2).

Los problemas en la soldadura fuerte existen porque hay diversas variables que afectan su éxito. La clave para evitar estos problemas es comprender los principios que rigen la soldadura fuerte. Las siguientes categorías son esenciales para una soldadura segura y las mismas pueden verse afectadas por las operaciones industriales.

Figura 3. Acodamiento de retorno con separación y flujo uniforme

Separación

La soldadura se efectúa por acción capilar—la fuerza que arrastra la aleación fundida para soldar entre dos superficies unidas en forma muy estrecha. Para que haya suficiente acción capilar es necesario controlar la separación entre las partes. Los estudios han indicado que la separación óptima a una temperatura de soldadura varía entre 0,0381 y 0,0762 mm (de 0,0015 a 0,003 pulg). Desde el punto de vista práctico, se pueden hacer juntas de soldadura aceptables con una separación mayor. A medida que aumenta la separación, sin embargo, el flujo de soldadura se reduce y resulta más difícil lograr el llenado capilar. A la inversa, se necesita que haya separación para proporcionar un espacio capilar. Si las partes están en contacto mediante un relleno de ajuste forzado, el metal no puede fluir.

Además, la separación se puede ver afectada por las operaciones de fabricación. En las soldaduras helicoidales, las juntas escasamente soldadas pueden ser el producto de prácticas de formación incompatibles, de un diseño o un ensamble inadecuado. La soldadura fuerte acodada de la Figura 3 posee una separación y un flujo uniforme. El acodamiento mostrado en la Figura 4 está excesivamente acampanado. Esto causa una inserción despareja y una separación enorme. Existe una capilaridad adecuada únicamente en el punto “A”.

Figura 4. Acodamiento de retorno con excesivo acampanamiento

Diseño de Junta

Los problemas en el diseño de la soldadura fuerte surgen cuando las partes o piezas carecen de una separación razonable o se traslapan de manera inadecuada. Esto ocurre en el caso de juntas de tubos pequeños dentro de tubos más grandes, en juntas salientes y en montajes corrugados (véanse las Figuras 5 y 6). Los tubos de cobre dentro de juntas de acero presentan otro problema, ya que el mayor coeficiente de expansión del cobre puede reducir la separación por la temperatura de soldadura y limitar el flujo de la aleación. El acceso puede estar obstaculizado si los diseños de montaje producen una junta en la cual el acercamiento está bloqueado por una estructura o un componente. Esto dificulta el calentamiento parejo de la conexión.

Figura 5 y 6. Separaciones excesivas sobre juntas salientes y juntas de tubos corrugados

Limpieza

Limpieza
Las partes metálicas con frecuencia llegan a las estaciones de soldadura fuerte recubiertas de lubricantes de formación. El aceite, la grasa y el polvo son contaminantes y pueden impedir el flujo capilar. Una vez limpiadas, las nuevas partes de cobre generalmente pueden ser soldadas sin un trabajo adicional. No obstante, las partes muy oxidadas requieren de una limpieza mecánica. En las aleaciones de cobre-fósforo, el fósforo reduce el óxido superficial. Esta es también la función del fundente de soldadura o de la atmósfera del horno. El exceso de óxido sobre el metal de base reduce la efectividad de estos mecanismos.

Calentamiento/Aplicación de un Metal de aporte en la Soldadura Fuerte
Un correcto calentamiento es indiscutiblemente el proceso más importante para producir una soldadura fuerte segura. Es el objetivo fundamental de arrastrar la aleación de aporte dentro de los capilares de la junta. A continuación se mencionan los principios básicos del calentamiento:

• Calentar ambas piezas al mismo tiempo.
• En las juntas traslapadas, el calor debe penetrar las paredes internas. Para conducir el calor dentro de la junta, comenzar aplicando calor primero al tubo interno (macho).
• Cuando las partes alcanzan la temperatura correcta aplicar la aleación de aporte de la soldadura y permitir que el calor de las partes funda tal aleación. No se limite a fundir la varilla con la llama.
• La aleación de aporte de la soldadura solamente fluirá hasta donde la temperatura del metal de base supera el punto de fusión de la aleación de aporte.
• Asegúrese de aplicar calor en el punto donde se extraerá la aleación de aporte.

Controlando las Variables de Fabricación
Procedimientos Escritos
Un punto de partida común para lograr consistencia en la fabricación es la redacción de un procedimiento de soldadura fuerte. El procedimiento debe abarcar todos los procesos esenciales, incluidos los metales de base, los metales o aleaciones de aporte, el fundente, la limpieza, la posición de las juntas, los procedimientos posteriores a la soldadura y la inspección. Se deben desarrollar diferentes procedimientos para tratar los cambios en las variables importantes. Una vez que los procedimientos han sido escritos, probados y ordenados, debe haber información pertinente disponible acerca de los mismos en cada estación de soldadura fuerte. Se puede encontrar material de referencia para desarrollar los procedimientos en la publicación de la American Welding Society, AWS B2.2 Standard for Brazing Procedure and Performance Qualification, y de la Copper Development Association’s A4014-00/94, Brazing Procedure Specifications, Procedure Qualification Records and Brazing Performance Qualification Records.
El segundo paso es “probar el proceso”. Esto generalmente se hace mediante la calificación de un procedimiento. Haga que su mejor operario suelde las partes conforme al procedimiento y después pruebe las partes. Para estas partes, no resulta suficiente una simple prueba de fuga. El criterio de la prueba debe incluir el seccionamiento físico y el examen de las juntas, o las pruebas mecánicas o del ciclo de vida, así como también todo requisito de índole cosmética o relativo al aspecto.

Capacitación de Operarios/Pruebas
La parte más importante de cualquier operación radica en las personas que la llevan a cabo. Muchos fabricantes señalan a sus operarios como la parte más difícil del control de calidad. Es muy común que el siguiente operario en la línea capacite al que recién ingresa. Sin embargo, como los operarios poseen diferentes aptitudes, puede suceder que se estén duplicando técnicas inadecuadas. La destrezas y el temperamento individual varían; por lo tanto, los fabricantes de aparatos domésticos no solamente deben capacitar sino que deben asegurarse de que los operarios posean las aptitudes necesarias.

La Sección IX del Código de Calderas y Recipientes a Presión de la ASME establece la necesidad de un requisito que califique el desempeño en soldaduras fuertes para: “… asegurarse de que el fabricante o contratista haya determinado que sus soldadores, utilizando sus procedimientos, son capaces de cumplir con los requisitos mínimos especificados para una operación de soldadura aceptable”. Pruebe a los operarios para asegurarse de que suelden las juntas de acuerdo con sus requerimientos.

Mejorando la Calidad
Invariablemente los mejores operarios tienden a ser aquellos que llevan más tiempo realizando tareas de soldadura fuerte. El hecho de minimizar la rotación de personal mejora la calidad de la soldadura. Por ejemplo, los operarios con frecuencia se quejan de los humos, de manera que asegúrese de que su expulsión sea la adecuada en cada estación. Provea dispositivos de montaje adecuados y elimine las obstrucciones de manera que las partes sean soldadas en una posición que facilite el acceso del operador. Esto hará que el soldador se sienta más cómodo y sea más productivo, con lo cual mejorará la calidad de las juntas soldadas.

Cuestiones de Montaje
La mayor parte de los productos se diseñan prestando poca atención a las cuestiones relacionadas con la soldadura. Usted puede tener datos limitados sobre el diseño, de manera que concéntrese en lo que está bajo su control. Lo primero que hay que conseguir es consistencia. Recuerde cómo principios tales como la separación y la limpieza afectan la calidad de la soldadura. La operaciones de formación deben controlar las tolerancias de los componentes. Las partes aceitosas deben ser limpiadas. Las estaciones de subensamblado deben tener los accesorios adecuados para sostener y ubicar las piezas. Cuando se estén considerando modificaciones en las partes o nuevos diseños, solicite a los encargados de la capacitación sobre el tema de soldadura fuerte el aporte de datos. A menudo éstos pueden sugerir cambios en el diseño que facilitan las tareas de soldadura.

Identificando y Corrigiendo Problemas
La corrección de los problemas de soldadura lógicamente se inicia una vez individualizados dichos problemas. Comience por aislar las juntas que poseen el mayor índice de fallas y busque patrones. ¿Los problemas en la junta “X” pueden ser identificados? ¿O las pruebas de presión le indican al soldador que “Y” tiene un mayor porcentaje de fugas? Esto destaca las áreas que merecen atención. Observe cada situación y haga preguntas. ¿Todos los operarios encargados de soldar esa junta tienen problemas? ¿Se trata de un nuevo operario? ¿Hay un cambio en las piezas o en la condición de las mismas?

Una vez identificados los problemas, comience a trabajar para solucionarlos. Reconozca que los pequeños cambios influyen en la calidad de la soldadura. Los pequeños cambios pueden causar problemas, y, a la inversa, con frecuencia pueden corregirlos. Mejorar la calidad de las soldaduras fuertes es una meta realista para cualquier organización. La corrección de los problemas requiere acercarse realmente a las operaciones de fabricación. Asocie los conocimientos que usted posee sobre los fundamentos de la soldadura fuerte con métodos estadísticos como un camino para el logro de sus metas en este sentido.

 

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