1

1. RESUMEN El sistema productivo dentro del sector de la minera metlica ha cambiado en las ltimas dcadas. En los primeros aos de explotacin de los metales, se empleaban depsitos minerales de alta ley donde el metal deseado se encontraba en grandes proporciones dentro del mineral explotado. Durante esta poca, la riqueza del mineral ayudaba a la obtencin metalrgica. Sin embargo, esta situacin ha ido cambiando a lo largo de los aos, y actualmente se extraen minerales de grandes depsitos de baja ley, en los que la presencia metlica permanece ms o menos constante en un determinado volumen de mineral extrado. La explotacin de estas grandes masas de mineral aseguran una rentabilidad econmica a lo largo del tiempo gracias a la disminucin de costes producidos por el factor escala. Cuanto mayor volumen de mineral sea capaz de tratar una planta, mayores sern los rendimientos de sta y mayores los equipos mineros diseados y construidos. Los Molinos de Bolas se encargan dentro de las labores mineralrgicas de fragmentar la roca o el mineral hasta un tamao conveniente para los procesos de concentracin posteriores que precisan una granulometra definida para obtener los rendimientos estimados. Estn constituidos de virolas cilndricas o cilndrico-cnicas de eje horizontal provistos interiormente de blindajes antidesgaste y parcialmente rellenos de cuerpos de molienda constituidos por bolas de acero. En la fabricacin de estos equipos, que superan las 180 toneladas, se emplean fuertes espesores de chapa (entre 75 y 350 milmetros) y virolas que pueden llegar hasta los 12 metros de dimetro, por lo tanto su fabricacin se engloba dentro de la industria de la calderera pesada. Para la fabricacin de los Molinos de Bolas se emplean aceros estructurales unidos mediante el proceso de soldadura por arco sumergido. En el presente trabajo, se reflejan los resultados de un estudio de mejora de la productividad mediante el empleo de nuevas tecnologas de unin, y la optimizacin de los diferentes parmetros que intervienen en el proceso de soldadura por arco sumergido. El punto de partida consisti en el anlisis del proceso productivo actual, y en identificar todos aquellos focos susceptibles de mejora, para poder establecer una ventana de estudio de variables de la soldadura por arco sumergido, acotando las distintas soluciones tecnolgicas que ofrece el mercado a las caractersticas particulares del proceso de fabricacin de los Molinos de Bolas. Una vez definidas las variables tecnolgicas a emplear, se procedi al diseo de unas pruebas de soldadura coherentes y representativas del proceso de produccin actual, y a la definicin de ensayos mecnicos de caracterizacin de las uniones soldadas (ultrasonidos, tracciones, durezas, macrografa y ensayos de resiliencia) segn el Cdigo empleado para la fabricacin de los Molinos de Bolas. Como complemento a la fase experimental de realizacin de uniones soldadas, se ofrece un estudio particular de cada diseo de junta en funcin del espesor, que permite optimizar tanto el nmero de pasadas como la cantidad de consumible gastado o las horas de arco elctrico, valorando factores como los costes de consumible por kilogramo de metal depositado, costes de la mano de obra, factor de operacin, o la dificultad intrnseca y la defectologa asociada a cada diseo de junta, as como la determinacin del espesor lmite para el cual la tecnologa Narrow-Gap comienza a ser aconsejable. La fase experimental consiste en la realizacin de uniones tipo, controlando distintos aspectos de especial relevancia para el estudio general de mejora de la productividad, como pueden ser la tasa de deposicin, el consumo de flux, las propiedades mecnicas, el nmero de pasadas para rellenar una unin tipo, o valorar cuantitativamente qu ventajas o desventajas ofrece la soldadura con hilo tubular frente al hilo macizo. Dada la variedad de fabricantes de hilo y flux que existen en el campo de la soldadura por arco sumergido, se realiza un anlisis objetivo cuyo resultado sirve de herramienta para decidir cul es el mejor par hilo-flux de entre los distintos tipos estudiados, teniendo en cuenta variables como propiedades mecnicas obtenidas, tasa de deposicin, precio, disponibilidad o tipo de unin a realizar dentro del proceso productivo. El estudio se realiza entre diversas marcas y dimetros de hilo, en calidades macizo y tubular, en corriente continua con electrodo al positivo y con un solo hilo. Una vez cerrado el estudio de consumibles en corriente continua, y una vez seleccionados los mejores fungibles para las caractersticas particulares del proceso de fabricacin, se realizan pruebas en corriente alterna con el fin de comparar las

Sistema Industrial de Soldadura de Altos Espesores

V. Pintos1, J. Garca1, A. Valverde2, C. Mul2 y D. Capas2

1CENTRO TECNOLGICO AIMEN

2GNDARA CENSA, S.A.

2

propiedades mecnicas obtenidas, la tasa de deposicin y el consumo de flux con los dos tipos de corriente. Durante la fase de pruebas de soldadura con corriente alterna se emplean distintos balances de onda a distintas frecuencias con el fin de determinar el efecto del cambio de polaridad sobre la penetracin y sobre la tasa de deposicin, al tiempo que los ensayos mecnicos reflejan el efecto de la corriente alterna sobre la tradicional forma de calcular el aporte trmico empleado en la soldadura. La aplicacin directa de las dos fases de pruebas realizadas con un solo hilo en corriente continua y alterna, permiten afrontar el estudio de la soldadura tndem con las mayores garantas de xito, reduciendo el nmero de pruebas y ensayos a realizar, y mejorando de forma sustantiva el proceso de soldadura por arco sumergido con tecnologa tndem, permitiendo extrapolar directamente los resultados obtenidos al proceso de fabricacin de los Molinos de Bolas. Los objetivos que persigue el presente estudio son: - Reduccin de los costes de soldadura, tanto de costes directos como indirectos. - Reduccin de los tiempos de fabricacin, acortando los plazos de entrega de los equipos. - Reduccin del ndice de rechazos y de las reparaciones. - Dominio de las nuevas tecnologas de unin por arco sumergido que podrn servir de base para sucesivos proyectos dentro

de un Plan de Mejora Continua. - Mejora de la competitividad de la Empresa en los Mercados Internacionales dentro de un sector estratgico.

2. INTRODUCCIN En los ltimos aos, el proceso de soldadura por arco sumergido ha experimentado un gran avance como consecuencia del desarrollo de nuevos consumibles, nuevas fuentes de potencia y del empleo simultneo de varios electrodos. Las empresas que han implantado estas tecnologas de alta tasa de deposicin han logrado mejorar su productividad, manteniendo e incluso incrementando las propiedades mecnicas de las uniones soldadas. El presente trabajo, dentro del marco de la calderera pesada, y en particular, de los sistemas de alta tasa de deposicin, no slo se basa en el hecho de haber realizado y caracterizado con xito un elevado nmero de uniones empleando hilos tubulares de distintas calidades, corriente alterna con distintos balances de onda y a distintas frecuencias, y tecnologa tndem, sino en interpretar las necesidades particulares del proceso productivo, adaptndolas a las pruebas a realizar y, finalmente, exportar los resultados para su implantacin de una forma gradual y sencilla, con el objetivo de mejorar la productividad y la calidad de la soldadura.

Figura 1. Carrete soldado con nuevas tecnologas de alta tasa de deposicin durante la fase de implantacin.

Los resultados de este trabajo han permitido mejorar la tasa de deposicin en al menos un 30%, en funcin del tipo de unin considerada, mejorando las propiedades mecnicas y cuantificando al mismo tiempo con una ms que notable precisin los costes de la unin en funcin de distintas variables asociadas a la soldadura como pueden ser los costes directos del material fungible, el consumo de flux, el coste por hora de los operadores, el factor de operacin, la defectologa asociada a cada diseo de junta, o los ngulos de apertura ptimos para la ejecucin de una determinada unin, dependiendo en todo momento de la tecnologa empleada.

3

Figura 2. Clula de soldadura por arco sumergido de las instalaciones de AIMEN

3. DESARROLLO EXPERIMENTAL Para definir las pruebas y ensayos a realizar en el marco del presente trabajo, fue necesario contar con un pliego de condiciones tcnicas del actual proceso productivo que reflejase tanto las necesidades de mejora, como las caractersticas particulares que limitan su produccin. Algunas de las caractersticas tenidas en cuenta fueron el equipamiento auxiliar, la formacin del personal, las caractersticas tcnicas de las mquinas de soldadura (factor de operacin, configuracin de las mquinas, posibilidad de reglajes, motores de alimentacin de hilo, limitaciones en cuanto a recorridos de las antorchas, abertura de las boquillas para la salida de flux, stick-out, etc.), los procedimientos existentes (y en especial, su coherencia con respecto a las nuevas tecnologas), los requerimientos contractuales con los clientes (Cdigos de aplicacin, la exclusin de ciertas tecnologas, y el inters por la inclusin de otras), y las caractersticas geomtricas de los equipos a fabricar, pues limitan en gran medida la accesibilidad de las antorchas y las velocidades de soldeo. Una vez consideradas todas estas variables, el desarrollo experimental tuvo lugar en cuatro fases: - Soldadura unifilar en corriente continua. Esta primera fase se centr en la seleccin de los mejores consumibles,

determinando su tasa de deposicin, sus propiedades mecnicas y su soldabilidad. - Soldadura unifilar en corriente alterna. Despus de una correcta parametrizacin de los consumibles seleccionados, se

fijaron las variables que intervienen en el proceso determinando su tasa de deposicin, las propiedades mecnicas y su soldabilidad.

- Soldadura en tndem. El principal objetivo perseguido con las pruebas en tndem fue el de parametrizar correctamente los

consumibles, teniendo en cuenta los efectos sobre las variables de soldadura de las dos anteriores fases, determinando al mismo tiempo la tasa de deposicin, sus propiedades mecnicas y su soldabilidad

- Optimizacin y rediseo de biseles. Partiendo de los resultados obtenidos en las tres fases anteriores y de la soldadura de

cupones para la validacin de resultados, el objetivo fue el de optimizar el diseo de biseles buscando la relacin entre abertura de cara abertura de raz que minimizase los costes de soldadura, manteniendo la calidad de las uniones.

3.1 SOLDADURA UNIFILAR EN CORRIENTE CONTINUA La primera fase de soldadura unifilar en corriente continua tuvo como objetivo realizar un barrido de pruebas con los diferentes consumibles existentes en el mercado, en calidades macizo y tubular, de diferentes dimetros, evaluando de una forma objetiva la tasa de deposicin y las propiedades mecnicas obtenidas con cada uno de ellos. Esta primera fase permite seleccionar el consumible que mejor se adapta a las caractersticas del proceso productivo de la empresa. Para llevar a cabo las pruebas, se realizaron cupones de soldadura de 50mm de espesor en acero estructural, con un bisel en V de 60 y un taln de 6mm, representativos de espesores de fabricacin de entre 75 y 150mm de espesor. Sobre estos

4

cupones soldados se realizaron los siguientes ensayos: inspeccin por ultrasonidos, tracciones transversales, ensayos de resiliencia, mapas de durezas, macrografas y anlisis microgrficos. Una vez asegurada la repetibilidad de las pruebas mediante un correcto acabado superficial y un utillaje que impidiese la deformacin de las probetas, se midieron sobre las mismas el nmero de pasadas totales para realizar la unin, as como el consumo de hilo y flux.

Figura 3. Cupn de 50mm de espesor de acero estructural, con 6mm de taln y un bisel en V a 60.

Para establecer una comparativa entre los distintos consumibles, se realizaron probetas a la misma velocidad de soldeo, dentro del rango de intensidades sobre el que trabajan las mquinas de soldadura convencionalmente, comparando nmero de pasadas, tasa de deposicin y consumo de flux. Tambin se realizaron macrogragrafas de los hilos tubulares, y se calcularon los rendimientos de todos los hilos empleados en cuanto a tasa de deposicin en pasadas de relleno. Los resultados de esta primera fase pueden apreciarse en la Tabla 1.

Tabla 1. Mejora porcentual en nmero de pasadas y tasa de deposicin con respecto a los valores de referencia tomados al

inicio de la fase experimental para la soldadura en corriente continua unifilar con material de aporte macizo de dimetro 4 milmetros.

3.2 SOLDADURA UNIFILAR EN CORRIENTE ALTERNA El empleo de nuevas fuentes de potencia con amplias posibilidades de regulacin, modernos controladores y motores de alimentacin de hilo, y los nuevos consumibles permiten una gran estabilidad empleando corriente alterna, aunando as las ventajas de la corriente continua con electrodo al positivo (buena penetracin y estabilidad), con las de la corriente continua electrodo al negativo (alta tasa de deposicin). El resultado directo que se obtiene al emplear la corriente alterna en el proceso SAW es el aumento de la tasa de deposicin y la disminucin del aporte trmico. Existen dos consecuencias intrnsecamente ligadas a la disminucin del aporte trmico: la primera es la ligera reduccin de la penetracin a causa del menor precalentamiento del metal base; la segunda y ms importante, es el mantenimiento de las propiedades a impacto, para un rango ms amplio de aportes trmicos, tal y como se pudo comprobar a travs de los ensayos de resiliencia realizados sobre las probetas. El principal obstculo para el empleo de la corriente alterna estriba en la parametrizacin, pues segn el balance de onda empleado (porcentaje de ciclo al electrodo positivo y porcentaje al negativo), y la frecuencia, es necesario encontrar un rango vlido de parmetros de soldeo para que el fungible se comporte de forma estable, suponiendo un cambio de filosofa para los

5

operadores, generalmente acostumbrados a emplear corriente continua en soldadura unifilar. Sin embargo, las ventajas de la corriente alterna sobre la corriente continua son amplias, pudindose expresar en trminos de: - Aumento de la tasa de deposicin en ms de un 20% con respecto a la corriente continua. - Mantenimiento de los valores de impacto para mayores rangos de aportes trmicos. Este resultado permite aumentar la

intensidad de soldeo, aumentando la tasa de deposicin y manteniendo e incluso en algunos casos, incrementando los valores a impacto. Esto se debe fundamentalmente a que un mayor porcentaje de la energa puesta en juego durante la soldadura se emplea en aumentar el volumen de material depositado en detrimento del calentamiento del metal base y por tanto de sus propiedades mecnicas.

- Mejora competitiva del hilo macizo frente al tubular. La fase experimental puso de manifiesto que a medida que se

aumentaba la electronegatividad, el incremento en tasa de deposicin que supone el empleo de hilo tubular frente al hilo macizo decreca de forma notable, pasando de una mejora del 50% empleando la corriente continua hasta el 20% empleando elevadas electronegatividades.

Figura 4. Comportamiento a impacto de las probetas soldadas en corriente alterna (curva superior, real) frente a una hiptesis de descenso lineal de las propiedades a impacto con el aporte trmico (curva central, ideal), comportamiento representativo de

las probetas soldadas en corriente continua (curva inferior, real).

Tabla 2. Mejora porcentual de la tasa de deposicin con respecto a los valores de referencia tomados al inicio de la fase experimental para la soldadura en corriente continua unifilar con material de aporte macizo de dimetro 4 milmetros.

3.3 SOLDADURA TNDEM

6

Todos los resultados obtenidos en las dos anteriores fases del desarrollo experimental resultaron de directa aplicacin para la soldadura tndem. Las pruebas se realizaron sobre hilos macizos y tubulares, tomando como referencia la disposicin inicial de la soldadura tndem (corriente continua en el primer electrodo y corriente alterna en el segundo electrodo con un balance de onda del 50% al electrodo positivo y un balance de onda del 50% al electrodo negativo, a la frecuencia de la red). A partir de este resultado, se aument la electronegatividad sobre el segundo electrodo, y se realizaron pruebas con ambos electrodos en corriente alterna, siguiendo un montaje Scott. En esta ltima configuracin, y tomando como referencia la tasa de deposicin inicial para los parmetros empleados en produccin con hilo macizo de dimetro 4 milmetros, se logr un incremento de la tasa de deposicin superior al 95% para hilos macizos y de un 130% para hilos tubulares, reduciendo en un 35% el consumo de flux, y con un considerable aumento de las propiedades mecnicas, tal y como haba quedado reflejado en la fase de soldadura en corriente alterna.

Tabla 3. Mejora porcentual de la tasa de deposicin con respecto a los valores de referencia tomados al inicio de la fase

experimental para la soldadura en tndem con material de aporte macizo de dimetro 4 milmetros.

Figura 5. Arriba, a la izquierda, macrografa de un cupn soldado con montaje Scott con hilo tubular de 4 milmetros. Arriba, a la

derecha, restos de probetas de impacto sobre los que se puede apreciar la expansin lateral sufrida tras la fractura. En el centro, rotura en forma de copa de una probeta de traccin transversal sobre la que se puede apreciar la rotura dctil por el

metal base. Debajo, secciones transversales de distintos hilos tubulares, en las que se pone de manifiesto el distinto mtodo de fabricacin y el espesor de la corona conductora para los dos fabricantes comparados.

4. DISEO DE BISELES El estudio de las tres fases anteriores tuvo como objetivo alimentar la entrada de datos de esta ltima fase de diseo de biseles. Las tasas de deposicin en cuanto a parmetros de relleno y el momento en el que pueden comenzar a emplearse, proporcionan la herramienta ms adecuada para optimizar la relacin entre el ngulo de abertura de cara y de raz, de forma que se minimicen los costes de la soldadura as como el ndice de rechazo por reparaciones. Para la elaboracin de las siguientes grficas se han valorado los siguientes factores: - Tasa de deposicin en primeras pasadas y en pasadas de relleno. A medida que aumenta el espesor de la unin, el

porcentaje de primeras pasadas frente a las pasadas de relleno disminuye, por lo que cerrar el ngulo de los biseles aumenta la productividad a partir de cierto espesor frontera.

7

- Factor entrada tndem. La entrada del tndem, tras la realizacin de las primeras pasadas con un solo hilo, resulta determinante para el tiempo de ejecucin de la unin soldada. Existe un ancho mnimo de abertura del bisel para el cual es segura la soldadura en tndem. A medida que se cierra el ngulo de bisel, las paredes laterales estn ms inclinadas, dificultando el correcto mojado del metal base y por tanto retrasando la entrada del tndem. Una excesiva apertura hace que el tndem entre despus de pocas pasadas, aunque por el contrario ser necesario rellenar un mayor volumen de material.

- Velocidades de soldeo. Los clculos se realizan en base a diferentes velocidades de soldeo, en funcin de la parametrizacin

obtenida para los consumibles en corriente continua, alterna y tndem. Por tanto, la comparativa en nmero de pasadas tiene una importante relevancia para soldaduras longitudinales, que requieren un nuevo posicionamiento de la antorcha y reinicio de arco.

- La dificultad para ejecutar una unin y su factor de operacin. A medida que se cierra el ngulo de los biseles, la dificultad

para ejecutar la soldadura aumenta, exigiendo una mayor preparacin y concentracin por parte de los operadores. - Volumen de material necesario para rellenar la unin. A medida que se aumenta la abertura de los biseles, es necesario un

mayor volumen de material para rellenar la junta, y en consecuencia, mayor gasto en material fungible. A continuacin se muestra un ejemplo de seleccin del ngulo de biseles ms adecuado para un determinado espesor de fabricacin.

8

Figuras 6 y 7. Las figuras 6 y 7 forman parte del estudio particular de biseles para un espesor de fabricacin de 76mm.

4. CONCLUSIONES Las principales conclusiones a las que se ha llegado tras la ejecucin del presente trabajo son: - El rendimiento del hilo tubular soldando en corriente continua es aproximadamente un 30% superior al del hilo macizo. Sin

embargo, en corriente alterna, el porcentaje de mejora que aporta el hilo tubular frente al macizo, disminuye a medida que se aumenta la electronegatividad (hasta un 10%). Esta circunstancia aconseja un estudio econmico en profundidad sobre los costes asociados a los consumibles para determinar la rentabilidad del hilo macizo frente al tubular.

- La corriente alterna presenta la ventaja de mantener unos valores de resiliencia medidos en el pndulo Charpy constantes

empleando aportes trmicos ms elevados. Esta circunstancia hace posible aumentar las intensidades de soldeo, aumentando en consecuencia la tasa de deposicin.

- El empleo de sistemas de alta tasa de deposicin, como en este caso es el tndem segn un montaje Scott de corriente

alterna, condicionan el diseo de biseles, pues su entrada premia la reduccin del nmero de pasadas y por tanto las horas de arco elctrico en comparacin con la soldadura unifilar.

- Tras el estudio de todas las variables anteriormente comentadas se consigui mediante un mtodo totalmente emprico la

optimizacin productiva y el clculo de costes reales para cada uno de los espesores y geometras de unin que puedan conformar los mapas de soldadura de una obra donde el proceso SAW de alta tasa deposicin y sus variantes tengan cabida.

5. AGRADECIMIENTOS Los resultados de este trabajo han sido extrados del proyecto de investigacin SINSAL (Sistema INustrial de Soldadura de ALtos Espesores) cofinanciado por la Consellera de Economa e Industria de la Xunta de Galicia dentro de la convocatoria de los Programas Sectoriales de Investigacin Aplicada, PEME I+D e I+D SUMA en el ao 2008 (Nmero de expediente: 08 TMT 026E), y por el Ministerio de Industria, Turismo y Comercio (Plan Nacional IAP 600300 2008 40).