6th Pan American Conference for NDT 12-14 August 2015, Cartagena, Colombia - www.ndt.net/app.PANNDT2015

Nuevas herramientas de END para mejorar la productividad de las  soldaduras:  Un nuevo enfoque para reducir el reproceso.   

Abstract 

Carlos E. MOLANO,    Daonte S.A.S. Bogotá, Colombia. [email protected]   

  The  actual  weld  quality control  methodology is based on non destructive testings done  at the end of  the  overall  manufacturing  process,  it  means  in a  few  words, that the  process  is  based on  inspection,  rework/repair and managing scrap rather than preventing a bad product being made.  The focus on the  quality  should  begin  before  the  production  process,  it  should  be  focused  on  preventing defects  and  analysis  of  historical  data  to establish a robust  process  with  closed loops  where  the  feedback within  the loop will improve the  process  by  itself.  This  can  be achieved by the use of new technologies and  the  application  of  some  methodologies  like  the  Design  For  Manufacturing  (DFM).   This  paper  will  present  some  of  those  methodologies and a  couple  of new technologies  to  complete  the  closed loops  within the welding production processes. 

 

Keywords.     Pre­Weld  inspection, Post­Weld inspection, Laser measurement, Weld monitoring, Feedback,  Quality Control, Process control tools.     

1. Introducción. 

  Cuando  se  planea  mejorar  la  calidad  de  las  soldaduras  dentro  de  un  proceso  productivo,  usualmente  se  piensa  en  las  siguientes  actividades:  aumentar  la  inspección  contratando  inspectores  o  incrementando  los  servicios  contratados,  reducir  la  productividad  al  dedicar  mayor  tiempo  al  control  de  calidad  y  a  auditar  el  proceso,  e  incrementar  la  documentación  relacionada  con  el  proceso.  Estas  actividades,  aunque sí podrían traer beneficios al proceso,  no  son la forma óptima de mejorar la calidad de las soldaduras como si lo puede ser el utilizar  una metodología para ​administrar​ la calidad de las soldaduras.     Uso  el  término  ​administrar  la  calidad  de  las  soldaduras  ya  que  el  proceso  involucra  varias  actividades  relacionadas  y  dependientes  para  lograr  un  fin  específico:  mejorar  la  productividad  y  la  calidad  de  la  fabricación  de las soldaduras.  Esta metodología utiliza entre  otras las siguientes herramientas:   1.  Diseño  de  manufactura  para  planear  anticipadamente  y  verificar  durante  el  proceso  productivo  que  ciertos  parámetros  y  características  específicas  del  proceso  se  cumplan,  y así  asegurar que la soldadura será fabricada efectiva y eficientemente. 

2.  Evaluación  de  los  costos  de  la  calidad,  el  cual  agrupa  los  mayores  costos  asociados  a  la  calidad de la soldadura: prevención, análisis, reparar, y material no conforme.  3.  Medición  de  la  efectividad  total,  el  cual  agrupa  en  una  sola  evaluación  los  tiempos  de  proceso  y  de  inactividad,  la  calidad  real  de  las  soldaduras,  y  la  productividad  del  equipo  o  estación  de  soldadura  para  ser  usada  como  un  parámetro  de  evaluación  constante  para  controlar y generar mejoramiento contínuo.    2. Administrando la calidad de las soldaduras.    La  clave  del  éxito  en  este  proceso  administrativo  es  prevenir,  y  prevenir  involucra  hacer  un  detallado  trabajo  de  planeación  y  diseño  antes  de  empezar  a  producir.  Normalmente  el  proceso  de  evaluación  de  la  calidad  de  las  soldaduras  inicia  después  de  que  estas  han  sido  terminadas,  realizando  ensayos  no  destructivos  y  determinando las zonas o piezas a reparar o  reemplazar,  es  decir  que  el  proceso  se  basa  en  un  ciclo  post­productivo  compuesto  por  inspeccionar,  reparar  y  reinspeccionar.  Los  ingenieros  de  soldadura  y  control  de  calidad  están  bajo  presión  constante  para  producir  más  y  para  verificar  la  conformidad  de  las  piezas  con  estándares  específicos,  pero  poco  esfuerzo  le  dedican  a prevenir la realización incorrecta  de la soldadura, que se vería reflejada en menos reprocesos y  menos material no conforme.    El  diseño  de  la  manufactura  plantea  entonces  que  el  proceso  productivo  de  las soldaduras se  enfoque  más  en  prevenir  los  defectos  y  en  analizar  los  resultados  históricos  para  que  se  puedan  generar  requisitos  detallados  del  proceso  que  lo  fortalecerían,  le  disminuirían  la  posibilidad  de  generar  soldaduras  defectuosas  y  le  permitirían  identificar  variaciones  del  proceso  que  se  convertirían  eventualmente  en  soldaduras  defectuosas.  Otros  beneficios  indirectos  que  se  pueden  obtener  del  diseño  de  manufactura  serían  desarrollar  un  sistema  de  control  de calidad activo, basado en un control total de los procesos y una trazabilidad global  de  los  datos,  tanto  de  las  soldaduras  generadas  correctamente  como  de  las  que  se  deben  reparar.     Si  asociamos  el  diseño  de  manufactura  a  actividades  específicas  del  proceso  de  soldadura,  podríamos:  1.  Asegurar  que  el  producto  está  diseñado  para ser eficientemente construido, que su proceso  de  construcción  está  compuesto  de  subprocesos  claramente  definidos y que  cada  subproceso  tiene  variables  de  control  para  asegurar  la  calidad  durante  la  construcción  y  no  solamente  después de terminada.  2.  Aumentar  la  posibilidad  de  automatizar  total  o  parcialmente  el  proceso,  para  reducir  la  variabilidad inherente en los procesos manuales.  3.  Beneficiarnos  de  los  resultados  de las mediciones de las variables de control para crear un  sistema de control cerrado que mejora continuamente.  4.  Determinar  con  anticipación  y  optimizar  aspectos  claves  en  la  productividad  como  velocidad  de  avance,  tiempos  de  ciclos,  cantidad  de  pases,  y  rendimiento,  verificando  que  pueden ser alcanzadas con los métodos, personal y equipos disponibles.  

5.  Y  ya  que  no  existe  un  sistema  perfecto  que  no  tenga  ninguna  falla,  podremos evaluar los  aspectos  administrativos  asociados  a  las  fallas  de  producción  como  costos,  tiempos,  consumibles, y más importante aún, causas de  dichas fallas.    Para  alcanzar  los  anteriores  objetivos,  tenemos  disponibles  nuevas  herramientas  de  Ensayos  No  Destructivos  que  intervienen  en  subprocesos  específicos  y  que  serán  involucradas  en  el  siguiente corto resumen del proceso productivo de la soldadura.      2.1 El proceso productivo. 

 

Actualmente,  las  pruebas  para  determinar  la  viabilidad  y  efectividad  de  un  proceso  de  soldadura  generan  las  especificaciones  del  procedimiento  de  soldadura  WPS  (Welding  Procedure  Specification)  pero  normalmente  son  determinadas bajo condiciones controladas y  después  afrontan  las  dificultades  propias  del  proceso  de  manufactura  cotidiano,  que  son  las  que  generan  los  defectos.  Por  eso  se  plantearán  seis  técnicas  para  el  aseguramiento  de  la  calidad  de  la  soldadura  que  se  pueden  desarrollar  tanto en la generación del  WPS como en el  proceso  productivo  normal  con   la  ayuda  de  la  nueva  tecnología  y  que  pueden  ser  incluidos  dentro del proceso del diseño de manufactura:    2.1.1. Ajuste del WPS mediante el análisis de parámetros de soldadura.    Durante  la  creación  del  WPS,  se  pueden  monitorear  los  parámetros  más  importantes  de  la  soldadura  de  arco  como  el  voltaje  y  la corriente y analizar  dicha información para determinar  sus  valores  óptimos,  así  como  máximos  y  mínimos  permisibles  y  cómo  puede  afectar  en  la  calidad  de la soldadura cualquier variación de estos parámetros.  La siguiente imagen muestra  el  resultado  del  monitoreo  de  una  soldadura,  en  la  que  tomando mediciones a una frecuencia  de  1  Khz,  se logra obtener gran calidad de detalle del comportamiento del voltaje (línea roja),  de la corriente (línea negra) y de la alimentación del material de aporte (línea verde).   

   ​Figura 1. Monitoreo de condiciones de soldadura. Mediciones de voltaje, corriente, y alimentación de aporte  medidos a 1 Khz.   

Nótese  que  la  anterior  gráfica  muestra  un  muy  corto  periodo  de  tiempo;  en  el  eje  X  de  la  gráfica  podemos  ver  que  son  mediciones  tomadas  en  menos  de  dos  segundos,  sin  embargo  logra  apreciarse  claramente  la  creación  del  arco  (extremo  izquierdo)  y  la  terminación  del  mismo  (extremo  derecho)  y  se  ve  claramente  la  inestabilidad  de  la  corriente  y  del  voltaje  durante  estos  dos  cortos  episodios.  Durante la franja central de la gráfica se puede ver que la  corriente  y  el  voltaje,  a  pesar  de  ser  alternantes  con  altas  variaciones,  tienen  un  valor  promedio  (Línea  horizontal  continua)  estable, pero que durante el periodo comprendido entre  0,8  y  1,3  segundos  aproximadamente  (Demarcados  con  la  zona amarilla) la corriente  cae por  debajo del nivel mínimo aceptable, generando una zona de rechazo.    Es  bien  conocido  que  muchos  defectos  en  la  soldadura  están  asociados  a inestabilidad de los  parámetros  de  la  soldadura,  principalmente  al  voltaje  y  a  la  corriente,  y  estos  dos parámetros  son  los  que  mayor  variaciones  podrían  tener  ya  que dependen directamente de la resistividad  que  tenga  el  aire  para  poderse  generar  o  mantener  el  arco  eléctrico  y  esta  resistividad  es  directamente  proporcional  a  la  distancia  entre  el  electrodo  y  la  pieza  a  soldar,  por  tanto  depende  de  la  habilidad  física  del  soldador.  Un sobrevoltaje podría generar un pobre control  de  arco,  creando  una  penetración  inconsistente  y  un  charco  de  soldadura  turbulento que falla  en  penetrar   consistentemente  el  material,  mientras  que  un  voltaje  muy  bajo  genera  un  pobre  inicio  de  arco,  y  por  tanto  limita  el  control  y  la  penetración,  además  de  generar  salpicadura  excesiva  y  un  perfil  de  cordón  convexo  así  como  un  pobre  conector  en  los  talones  de  la  soldadura.    De  la  misma  forma  en  que  el  monitoreo  del  voltaje  nos  permite  conocer  inmediatamente  la  posible  aparición  de  defectos  en  la  soldadura  mientras  se  está  aplicando  el  cordón,  el  monitoreo  de  otros  parámetros  como  la  corriente,  el  flujo  del  gas  de  protección,  y  la  velocidad  de  alimentación  de  material  de  aporte  nos  permitirán  detectar  anticipadamente  otros  tipos  de  defectos.  Entonces,  si  utilizamos  esta  tecnología  para  ajustar  el  proceso  a  sus  valores  óptimos  y determinar sus posibles valores admisibles máximos y mínimos, tendremos  información  real,  específica  e  inmediata  para tomar decisiones y poder ajustar los parámetros  del WPS a su mejor expresión.    2.1.2. Inspección visual pre­soldadura.    La  preparación  de  la  junta  tiene  tanta  importancia  en  la  calidad  final de la  soldadura como la  propia  aplicación  del  cordón.  Por  tanto  es  de  vital  importancia  realizar  una  minuciosa  inspección  previa  al  inicio  de  cualquier  actividad  de  soldado,  esto  es  bien  conocido  por  los  inspectores  calificados en inspección visual, sin embargo esta importante actividad  no  deja de  ser  muy  subjetiva  ya  que  depende del nivel de detalle al que el inspector esté dispuesto llegar  (normalmente  limitado  por  tiempo,  puesto  que  se  ven  presionados  a  no  interrumpir  las  actividades  productivas)  y  al  que  le  permitan  sus  herramientas  de  inspección  visual  tradicionales, las cuales llevan implícitas un alto nivel de incertidumbre y subjetividad.   

Nuevas  tecnologías  de  inspección  visual  por  láser  permiten  que  con  un  equipo  portátil  se  pueda  inspeccionar  en  campo  la  preparación  de  la  junta,  midiendo  con  alta  exactitud  características  importantes  de  la  preparación  de  la junta como  ángulo de bisel, separación de  raíz,  paralelismo  y  angularidad  de  las  piezas  a  unir.  La  siguiente  imagen  muestra  cómo  funciona la perfilometría láser y cómo puede captar la preparación de la junta:   

  Figura 2. Principio de funcionamiento de la perfilometría láser y medición de la preparación de la junta. 

  La  figura  anterior  muestra  cómo  la  reflexión  de  un  haz láser sobre  la preparación de la junta,  permite  reproducir   en  un  sensor  CCD  (Charge­Coupled  Device) el perfil exacto de la misma,  y  mediante  el  análisis  de  la  imágen,  medir  los  valores  de  interés  para  el  inspector.  Esta  herramienta  permite  entonces  evitar  futuras  reparaciones  debidas  a  defectos asociados  con la  preparación  de  la  junta como desalineación (hi­lo), o falta de penetración, además de dejar un  registro permanente, rápido y completo de toda la longitud del futuro cordón.      2.1.3. Análisis de parámetros de soldadura en producción.    La  medición  y  el  análisis  de  los  parámetros  de  soldadura  no  solo  aplica  durante  la  construcción  del  WPS  sino  también  durante  la  aplicación  de  los  cordones  de  soldadura en la  producción.  Además  de  efectuar  la  detección  temprana  de  defectos,  podemos  tener  otros  beneficios  que  también  apuntan  al  mejoramiento  de  los  procesos  y  a  incrementar  la  productividad y la calidad como los siguientes:   1.  Auditoría  del  proceso productivo. El monitoreo de las soldaduras permite documentar todo  el  proceso  con  precisión  en  formato  digital,  automático  y  en  tiempo  real  tanto  de  las  juntas  conformes  y  no  conformes. Permite también identificar los reprocesos, reducir el tiempo  para  identificar y diagnosticar problemas, y detectar automáticamente procesos fallidos   2.  Control  del  proceso  de  soldadura.   Con  la  firma de  soldadura se puede controlar y verificar  que la soldadura se produjo de acuerdo a las especificaciones. 

3.  Asegurar  la  calidad  de  la  soldadura.  Con la  firma de soldadura se pueden detectar defectos  para  corregir  de  inmediato,  al  igual  que  reducir  el  sobre­diseño  de  la  soldadura,  optimizar la  operación  del  proceso,  reducir  los  tiempos  de  configuración  y  mejorar  el  conocimiento  del  proceso y sus errores.  4.  Ingeniería  del  proceso  de  soldadura.  La  información  real  del  proceso  se  convierte  en  la  base  para  la  toma  de  decisiones  referentes  a  cambios  en  el  proceso.  El  supervisor  puede  analizar información de lo que sucede incluso a distancia.  5.  Utilización  de  equipos  de  soldadura  y  costos  de  producción.  La  medición  en  tiempo  real  del  uso  de  los  equipos  relaciona  una  medición  de  la  efectividad  del  uso  del  activo,  y  así  mismo  se  puede  costear el proceso basado en  tiempo de labor, consumibles, y uso energético  por  cada  junta  producida,  así  como  los  tiempos  de  inactividad  y  los  costos  asociados  a  estos  tiempos.      2.1.4. Inspección visual de soldaduras con láser    Con  la  misma  herramienta  expuesta  en  el  punto  2.1.2  se  puede  realizar  la  inspección  visual  del  cordón  de  la  soldadura  ya  terminada.  Esta  tecnología  permite  realizar  una  inspección  completa  del  cordón,  tomando  mediciones  cada  2  milímetros  a  lo  largo  de  toda  la  unión,  mejorando  exponencialmente  la  cantidad  y calidad de puntos inspeccionados en comparación  con  el  procedimiento  tradicional  que  realiza  un  inspector  de  soldaduras  y  eliminando  de  la  ecuación  la  incertidumbre  y  el  factor  de  subjetividad.  La  siguientes  imágenes  muestran  una  inspección  de  una  unión  a  filete  en  campo  y  los  resultados  de  la  medición  registrados  en  el  equipo.   

   

 

Figura 3. Medición de una junta a tope y los resultados obtenidos en pantalla.   

Este  equipo  realiza  dos  tareas  importantes  durante  su  inspección:  La  primera  es  que  permite  medir  parámetros  importantes  para  calificar  la  presentación  de  la  soldadura  como  son  el  ancho  del  cordón  y  el  alto  del  pase  de  presentación  evaluando  directamente  dos  defectos  típicos  como  son  el  bajo  relleno  y  el  exceso  de  refuerzo.  Estos  aspectos  no  sólo  son  importantes  por  la  apariencia  o  presentación  del  cordón,  sino  que  también  lo  son  porque  el 

sobre­soldado  se  traduce  en  sobrecostos  de  consumibles.  De  esta  forma,  ese  sobre­soldado  puede  ser  cuantificado  para  que el tiempo del proceso, materiales consumibles, y consumo de  energía puedan ser controlados ahorrando dinero.    La  segunda  tarea  que  realiza  el  equipo  durante  la  inspección  es  la  detección  y  medición  de  defectos  abiertos  a  la  superficie  como  poros,  socavados,  salpicaduras,  porosidad,  grietas,  desalineación  (Hi­Lo)  y  mide  también  la  garganta  teorética  y  longitud  de  piernas  en uniones  de  filete.  Esta  detección  rápida  y  exacta,  además  de  evaluar  la  terminación  de  la  soldadura  provee  retroalimentación  inmediata  al  proceso  de  soldadura  para  ajustar  los  parámetros  que  fueran necesarios para evitar nuevas apariciones de los mismos defectos.    Otros  beneficios  que  trae  al  proceso  de  soldadura  la  inspección  visual  por  láser  son  los  ahorros  en  procesos  tradicionales:  90%  en  documentación  de  la  inspección  visual,  50%  en  tiempo  de  inspección,  y  30%  en  sobre­soldado.  También es considerable el ahorro de tiempo  y  menos  reparaciones  innecesarias  por  la  medición  y  evaluación  instantánea  de  defectos  así  como  la  reducción  de  juntas  inaceptables  por  inspeccionar  la  preparación  de  la  junta  y  confirmar los parámetros definidos en el WPS.    2.1.5. Entrenamiento, calificación y certificación de personal.     El  aspecto  humano  en  el  proceso  productivo  es  tan  importante  como  lo  es  la  tecnología  y  equipamentos  usados.  Ya  sea   en  procesos  de  soldadura  manuales  o  automatizados,  las  anteriores  herramientas  le  permiten  determinar  eficientemente  y  a  tiempo  si  el  personal  involucrado  está  calificado  para  seguir  el  procedimiento  maximizando  su  desempeño.  Herramientas como el monitoreo de parámetros de soldadura y la inspección  láser le permiten  conocer  inmediatamente  al  soldador  el resultado de su desempeño, dandole retroalimentación  inmediata  o  determinando  cuales  soldadores  requieren  re­entrenamiento  o  si  el  sistema  automatizado de soldadura requiere ajuste en sus parámetros de programación.     2.1.6. Mejoramiento contínuo.    Después  de haber optimizado el WPS con la herramienta de la técnica 1, de evitar defectos en  la  soldadura  al  inspeccionar  la  preparación  de  la  junta  con  la  herramienta  de  la  técnica  2,  de  monitorear  contínuamente  los  parámetros  de  soldadura  para  la  detección  temprana  de  defectos  según  la  técnica  3,  de  optimizar  la  aplicación  del  cordón  con  la  herramienta  de  la  técnica  4,  si  se  hace  retroalimentación  continua  a  todo el proceso se mejorará la intervención  humana  en  el  proceso  como  se  vió  en  el  numeral  5  y  se podrán definir y ajustar los métodos,  técnicas,  equipos,  personal,  o  procesos  que  menos  requieran  reparaciones  y  reprocesos  innecesarios.  Esto  podría  inclusive  involucrar  el  desarrollo  o  mejora  de  algún  proceso  existente  o  la  creación de un método de soldadura completamente nuevo. La siguiente  gráfica  nos  muestra  cómo  cada  uno de las nuevas tecnologías nos ayudará a optimizar un subproceso 

del  conjunto  y  como  la  retroalimentación  y  mejoramiento  continuos  de  cada  subproceso  nos  llevará a un ajuste de condiciones por propósito.   

   Figura 4. Entradas y salidas de subprocesos para optimización de calidad en las soldaduras.   

Normalmente,  se  llegará  a  un  punto  donde  nuevos  ajustes  no  harán  posible  mejorar  el  proceso.  Si  este  nivel  es  aceptable,  entonces  el  proceso  estará  optimizado  a  su  mayor  potencial,  sin  embargo,  si  los  requerimientos  de  producción  son  mayores  de  lo  que  se puede  alcanzar actualmente, sería necesario mirar hacia el siguiente nivel de tecnología.    Por  ejemplo,  en  vez  de  convivir  con  la variación del ancho de la junta, que hasta el momento  se  mide  después  de  aplicado  el  cordón,  se  puede  automatizar  el  proceso  de  soldadura  con  actuadores  robóticos  e introducir al proceso  una variable extra de medición como la medición  láser  simultánea  a  la  aplicación  del  cordón.  Esto  sería  entonces  cómo  “darle  ojos”  al  robot  para  que  se  ajuste  a  las  condiciones  específicas  del  momento  en  que  está  soldando,  independientemente  que  estas  cambien  durante  la  aplicación  del  cordón.  Esta  tecnología  se  conoce  como  métodos  adaptativos  de  soldadura  en  el  que  el  actuador  modifica  automática  e  inmediatamente  algunos  parámetros  de  soldadura  como  la  corriente,  la  velocidad  de  aplicación, etc para ajustarse a las variaciones de la pieza o del entorno.    3. Conclusiones​.    El  uso de las nuevas tecnologías nos permitirán  no  solo detectar más y de forma más eficiente  los  defectos,  sino  que  usadas  correctamente  e  introduciendolas  como  puntos  de  retroalimentación  en  un  sistema  de  control  cerrado,  conformarían  un  sistema  de  mejoramiento  contínuo  que  prevendría  la  generación  de  defectos  en la soldadura, aumentaría  la  producción,  optimiza  los  equipos  tecnológicos  y  humanos  y  reduce  costos  y  tiempos  productivos.