Máxima calidad en las uniones de unión tanto para fabricantes como para usuarios

Fig. 1: Trabajos en un entorno de sala limpia / Fig.1: Working in a clean room environment

Fig. 2: Parámetros de soldadura optimizados para un lote específico de material base.

Fig. 2: Parámetros de soldadura optimizados para un lote particular de material.

Abb. 3: Especificación del procedimiento de soldadura (Welding Procedure Specification) para la fabricación de un componente específico. / Fig. 3: Especificación del procedimiento de soldadura para la producción de un componente específico.

Fig. 3: Especificación del procedimiento de soldadura para la producción de un componente específico.

Abb. 4: Zange de soldadura orbital WIG cerrada / Fig. 4: Cabezal de soldadura orbital cerrado

Abb. 5: Equipo de soldadura apto para salas limpias: la pinza de soldadura orbital cerrada y la pantalla táctil se encuentran en el interior del área de la sala limpia, mientras que la fuente de corriente de soldadura está ubicada en el área de servicio exterior. / Fig. 5: Equipo de soldadura con cabezal de soldadura orbital cerrado y pantalla táctil en el interior de la sala limpia y la fuente de energía en el exterior, en el área de servicio.

Fig. 6: Informe de quejas sobre la soldabilidad proporcionado por Dockweiler en caso de problemas de soldadura. / Fig. 6: Informe de quejas sobre la soldabilidad de Dockweiler.

Soldabilidad como característica esencial del producto

Como fabricante de componentes prefabricados para sistemas de tuberías de acero inoxidable de alta pureza, la empresa familiar alemana Dockweiler ocupa una posición de liderazgo mundial en la construcción de plantas en los sectores de semiconductores, farmacéutica, biotecnología y fotovoltaica. Una gran parte de los componentes ofrecidos se producen mediante la soldadura de piezas individuales, por lo que la tecnología de soldadura tiene un alto valor dentro de la filosofía empresarial.

Al igual que la mayoría de las empresas que dependen de un uso exitoso de sus procesos de soldadura, Dockweiler también realiza controles sistemáticos de todas las materias primas entrantes, pero en este caso no solo se debe garantizar la excelente calidad de las uniones de soldadura fabricadas en la propia empresa, sino que además se debe capacitar a los clientes para que puedan producir, por su parte, costuras de soldadura que cumplan con los requisitos extremadamente estrictos.

Los componentes del surtido con geometría sencilla, como tuberías, codos, derivaciones, tramos reductores o tapas, así como conjuntos más complejos como colectores, válvulas, etc., están diseñados para ser utilizados como parte de un sistema de tuberías para suministrar líquidos o gases de alta pureza a una planta de producción de alta tecnología.

Control exhaustivo de las materias primas entrantes

En Dockweiler, todas las piezas entrantes se someten a un control exhaustivo de entrada. Solo se aceptan las materias primas si van acompañadas de los certificados correspondientes, se analizan regularmente la composición química de los materiales base y deben cumplir al menos con las normas vigentes o las especificaciones establecidas, las tolerancias dimensionales deben mantenerse dentro de los límites establecidos y los valores mecánicos así como la resistencia a la corrosión deben alcanzar al menos los valores acordados.

Tras superar con éxito la inspección de entrada, las piezas se examinan en relación con sus propiedades de soldadura. En la mayoría de los casos, a los expertos les basta con una inspección visual de unas pocas soldaduras de prueba realizadas previamente para determinar los valores de los parámetros programados para la soldadura orbital de las muestras. La calidad de las muestras de soldadura producidas se somete a análisis detallados: inspección visual minuciosa del área de la soldadura, geometría de la soldadura en la parte interior y exterior en toda la circunferencia de la tubería, estado de la superficie de la soldadura, colores de recocido, etc. Cuando es necesario, se utilizan micrografías metallográficas para determinar si se ha logrado una penetración suficiente y uniforme en todas las posiciones, cómo es la zona afectada por el calor, y si ha habido formación de grano grueso o incluso segregación. Junto con los valores mecánicos de la unión soldada y su resistencia a la corrosión, los resultados obtenidos se utilizan para una optimización final de los parámetros de soldadura programados. Dado que un posible aumento en la velocidad de soldadura, debido a los pequeños diámetros de las tuberías, no conduce a una reducción económica significativa en el tiempo de arco, la optimización se realiza únicamente en función de la mejor calidad posible de la soldadura. En la figura 2 se muestra un formulario completo con los parámetros de soldadura para un lote específico de materia prima analizada.

Norma interna de la fábrica que cumple con los requisitos más estrictos

Ahora es necesario determinar si algunos o incluso todos los materiales de entrada cumplen con la norma interna de Dockweiler. Esta norma interna ha sido diseñada para uso interno y comprende los requisitos más estrictos de todas las normas y regulaciones aplicables. Las piezas fabricadas según esta norma interna pueden ser entregadas posteriormente a todos los clientes, independientemente de las especificaciones particulares de cada caso.

Los demás materiales se evalúan según un sistema de clasificación más amplio y se asignan notas entre 1 y 5. Sobre la base de estas notas, se decide la mejor utilización de cada material. Mientras que algunos componentes, debido a sus propiedades de procesamiento, pueden ser más adecuados para aplicaciones farmacéuticas, otros pueden tener condiciones ideales para su uso en la fabricación de semiconductores. En Dockweiler, la experiencia demuestra que para materiales relacionados con aplicaciones en semiconductores, solo se considera una nota de 3 o superior.

Tecnología de soldadura avanzada

Una calidad adecuada de los materiales y la geometría correcta de las piezas utilizadas son requisitos indispensables para lograr una excelente calidad de la soldadura, pero el proceso de soldadura en sí, el equipo, los materiales consumibles, las condiciones de trabajo, etc., deben seleccionarse con el mismo cuidado.

La soldadura TIG (WIG) es uno de los métodos más adecuados para unir aceros inoxidables sensibles o aleaciones base de níquel. En este proceso, no se emiten humos de soldadura y no se generan proyecciones; las soldaduras presentan superficies lisas y uniformes, y los parámetros de soldadura pueden ajustarse en amplios rangos para no afectar negativamente las propiedades específicas de los materiales base.

Como cualquiera que lo haya intentado puede confirmar, unir tuberías delgadas con diámetros pequeños mediante el proceso manual de soldadura TIG resulta ser una tarea sumamente difícil. Solo personal de soldadura bien capacitado y altamente motivado puede lograr resultados deseables; la poca reproducibilidad y la productividad extremadamente baja son algunas de las razones por las que se busca evitar, en la medida de lo posible, el uso de esta variante del proceso.

La soldadura orbital por TIG permite aumentar de manera sostenible la productividad en la unión de tuberías de alta calidad y mantener un estándar de calidad constante en las soldaduras. La antorcha de soldadura TIG se desplaza mediante un dispositivo adecuado alrededor de la circunferencia de las tuberías a unir. Los valores optimizados de los parámetros de soldadura se programan de antemano y se almacenan en la unidad de control del equipo. El operador del equipo de soldadura sigue las instrucciones del procedimiento de soldadura (Welding Procedure Specification, WPS), y en la figura 3 se muestra una instrucción completa para soldar una pieza en T. Para preparar la soldadura, el operador debe posicionar la cabeza de soldadura orbital en las piezas a unir y luego iniciar el ciclo de soldadura. El proceso de soldadura se realiza de forma completamente automática, sin intervención del operador, y al finalizar, retira la cabeza de soldadura orbital de las tuberías ya unidas y puede dedicarse a la siguiente tarea.

La unión de tuberías delgadas sin material adicional se realiza fundiendo los extremos de las tuberías mediante el arco, formando así la soldadura deseada. En la figura 4 se muestra un ejemplar de la pinza orbital cerrada desarrollada específicamente para esta tarea. Toda la zona de la soldadura se encuentra en el interior de la cámara formada por la pinza. Antes, durante y después de la soldadura, esta cámara se llena con gas inerte, protegiendo de manera confiable el metal fundido y la zona afectada por el calor de reacciones no deseadas con el oxígeno del aire. La antorcha de soldadura consiste en una electrodo de tungsteno, fijada en un anillo giratorio en la pinza, que se desplaza a lo largo de la junta de soldadura.

Equipamiento de soldadura adecuado para entornos de salas limpias

Para cumplir con los requisitos de calidad exigidos, los componentes instalados por Dockweiler se fabrican en un entorno de sala limpia, como se muestra en la figura 1. En una sala limpia, la atmósfera está controlada, es decir, la cantidad y tamaño de partículas en el aire están sujetas a límites establecidos. El aire se introduce continuamente a través de filtros instalados en el techo y pasa por la sala en forma de flujo laminar. Las partículas existentes en el aire son transportadas por el flujo y desaparecen por las aberturas de extracción en la parte inferior de la sala limpia.

La presencia de personas en una sala limpia genera cantidades significativas de partículas, por lo que la piel y el cabello deben estar cubiertos en la medida de lo posible. Además, las personas que trabajan en salas limpias deben evitar movimientos bruscos. Por razones similares, muchos equipos técnicos no son adecuados para su uso en salas limpias, especialmente si generan turbulencias en el flujo laminar debido a superficies calientes o ventiladores potentes.

Se permite operar pinzas orbitales cerradas en salas limpias. Aunque la soldadura por arco eléctrico también genera una cantidad significativa de partículas, en este caso permanecen confinadas en la cámara de la pinza y no contaminan la atmósfera circundante.

Las fuentes de alimentación para soldadura TIG generan calor residual que se disipa en el aire mediante ventiladores potentes, por lo que no son adecuadas para salas limpias. Como parte de la actualización de su línea de producción, Dockweiler adquirió de la empresa francesa Polysoude fuentes de corriente de soldadura del tipo P4, diseñadas específicamente para trabajar en entornos de salas limpias. La fuente de corriente se separa completamente del resto del sistema de soldadura y se instala en una zona de servicio fuera de la sala limpia, mientras que la consola de control y la pinza de soldadura cerrada permanecen en el entorno de la sala limpia (figura 5).

Las superficies de la consola con pantalla integrada son lisas y fáciles de limpiar, sin interruptores ni partes móviles que puedan acumular polvo o suciedad. El uso de ropa protectora no presenta problemas para el operador, y los botones táctiles en la pantalla se pueden activar fácilmente con guantes. Durante el proceso, los valores de medición de la soldadura en tiempo real se analizan continuamente, permitiendo monitorear en vivo el ciclo de soldadura y todos los parámetros importantes a través de la interfaz gráfica hombre-máquina.

Parámetros de soldadura programables y no programables

La formación de una unión soldada está influenciada por muchos factores, que en general se denominan parámetros de soldadura. En el proceso de soldadura orbital TIG, los expertos de Dockweiler conocen una gran cantidad de estos factores, que pueden influir de manera más o menos significativa en la fabricación exitosa de la unión o causar su fallo.

Algunos de estos parámetros tienen un impacto tan grande en el proceso que se considera imprescindible ajustarlos en cada soldadura o verificarlos. En los métodos manuales, los soldadores están acostumbrados a regular estos parámetros mediante los controles y pantallas de la fuente de corriente de forma periódica, mientras que en la soldadura automática TIG se establecen y programan de antemano. Por ello, estos parámetros también se denominan parámetros de soldadura programables.

Durante el ciclo típico de soldadura orbital, se establecen las siguientes funciones y parámetros asociados:

- Preflujo de gas: Tiempo antes de encender el arco, durante el cual la cámara de la pinza orbital se llena y se purga con gas protector.
- Encendido: El arco generalmente se inicia mediante una descarga eléctrica de alta frecuencia.
- Corriente de soldadura: Normalmente se realiza con corriente continua pulsada, por lo que se deben programar la duración del pulso, así como la corriente de pulso y la corriente base.
- Movimiento de rotación: La velocidad lineal de soldadura depende de la velocidad de rotación de la antorcha y del diámetro de la tubería.
- Sectores: Para contrarrestar los diferentes efectos de la gravedad en distintas posiciones y el aumento de la temperatura del componente durante el ciclo de soldadura, se pueden programar sectores. Una reducción en la energía aplicada en un sector puede lograrse, por ejemplo, prolongando el tiempo de la corriente base más baja.
- Reducción de corriente: Apagar la corriente de soldadura repentinamente puede causar formación de cráteres y grietas en la soldadura, por lo que la corriente se reduce lentamente hacia el final del ciclo (descenso de corriente).
- Postflujo de gas: Tiempo después de la finalización del arco, durante el cual se mantiene el flujo de gas protector en la cámara de la pinza orbital cerrada, permitiendo que la soldadura y el material base circundante se enfríen adecuadamente.

Una vez que la máquina de soldar está correctamente puesta en marcha, el ciclo de soldadura programado puede ejecutarse según lo previsto. La puesta en marcha incluye conectar la máquina a la alimentación eléctrica, así como a los gases de soldadura y formación; se debe colocar una electrodo de tungsteno con la composición adecuada, la punta prevista y la longitud exacta en la pinza de soldadura, y las pinzas de sujeción deben ajustarse al diámetro exterior de las tuberías a soldar.

Tras encender la máquina, la fuente de corriente necesita un tiempo para alcanzar su temperatura de operación y regular de manera confiable las corrientes de soldadura programadas; los flujos de gas de soldadura y formación deben ajustarse manualmente y mantenerse hasta que las tuberías, mangueras y válvulas hayan sido suficientemente purgados y se haya eliminado todo el oxígeno y humedad del aire. Una cantidad suficiente de soldaduras de prueba realizadas posteriormente garantiza que la pinza de soldar se caliente y que las posibles impurezas en su interior desaparezcan.

Ahora, la máquina está lista para operar y se pueden realizar las soldaduras de producción.

La puesta en marcha de una máquina de soldar orbital es relativamente compleja. Mientras que los valores de los parámetros programables se almacenan en el software de soldadura, las instrucciones sobre la preparación de los equipos y el ajuste o control de los parámetros no programables deben estar claramente especificadas en la instrucción de soldadura (WPS).

Soldadura orbital en fabricación o en obra

Las máquinas de soldadura orbital están diseñadas para que un ciclo de soldadura programado pueda repetirse tantas veces como sea necesario. Un buen resultado de soldadura será reproducible siempre que las condiciones de frontera se mantengan constantes en la medida adecuada. Los expertos de Dockweiler confían en sus amplios conocimientos de los medios de fabricación utilizados y controlan meticulosamente que no se produzcan cambios no intencionados que puedan alterar el proceso probado. Los dispositivos adicionales instalados ayudan a mantener el alto nivel de calidad de las soldaduras: mediante unidades de limpieza de gases y filtros de partículas justo antes del punto de salida de los gases de protección y formación, se eliminan completamente las impurezas y humedad potencialmente introducidas en las líneas de suministro; un instrumento de medición instalado en la salida del gas de formación informa sobre el contenido de oxígeno residual en el gas de protección y permite evaluar la eficacia del proceso de purga, minimizando tanto el consumo de gas como el tiempo necesario.

En resumen, se puede afirmar que el esfuerzo dedicado realmente conduce a obtener uniones de soldadura absolutamente libres de errores y que superan los requisitos establecidos. Sin embargo, como ya se mencionó al principio, los expertos en soldadura solo han cumplido con la mitad de su misión con éxito.

Para cumplir completamente con su tarea, los especialistas deben asegurarse de que los componentes entregados por Dockweiler también sean soldados con éxito por los clientes.

El soldar con arco en obra siempre se considera un proceso crítico. A diferencia de una fábrica, en el lugar hay muchas condiciones que no se pueden influir o controlar completamente. La alimentación eléctrica a menudo se interrumpe, es inestable o presenta un ángulo de fase desplazado. Los cambios en el entorno, como variaciones de temperatura y humedad, pueden afectar los equipos y materiales consumibles, y no siempre se puede garantizar una protección adecuada contra polvo y suciedad.

Como consecuencia de estas condiciones adversas, pueden observarse todo tipo de defectos en las soldaduras: penetración insuficiente o excesiva, geometría inadecuada de la costura, porosidad, aparición de colores de recocido, entre otros. Sin duda, no hace falta mencionar que las propiedades mecánicas y la resistencia a la corrosión de las uniones se ven afectadas negativamente por estos defectos.

Pero las condiciones de trabajo deficientes no son las únicas causas de fallos en las soldaduras realizadas por los clientes: también contribuyen errores en la preparación de los equipos, manejo inexperto del equipo, errores de programación, baja calidad de las tuberías o materiales consumibles, fallos en los equipos, etc., que a menudo explican la falta de resultados esperados.

Cuando un cliente solicita asistencia técnica, se le pide que proporcione información detallada sobre la aplicación, el equipo utilizado y las dificultades encontradas, y que complete el formulario proporcionado por Dockweiler "Weldability Complaint Report" (figura 6). Los expertos en soldadura intentan determinar si el personal del cliente domina el manejo del equipo y tiene suficiente experiencia en la tarea de soldadura, para descartar errores como puesta en marcha incorrecta, conexiones erróneas, programas de soldadura cargados por error, materiales utilizados incorrectamente, piezas colocadas en posiciones incorrectas, etc.

También se busca determinar si el problema ocurrió desde el principio o si el cliente ya pudo realizar algunas uniones con éxito. La mayoría de los errores de programación pueden detectarse fácilmente si los expertos tienen acceso al programa. Las empresas de renombre en tecnología de soldadura han invertido mucho tiempo y dinero en adquirir experiencia y en disponer de instrucciones y programas de soldadura confiables, por lo que consideran su conocimiento técnico como un secreto empresarial que no debe compartirse con terceros. Aunque esta postura es comprensible y debe aceptarse, sin duda no contribuye a una rápida resolución de los problemas específicos de soldadura.

Por supuesto, en Dockweiler siempre se intenta resolver las consultas de los clientes mediante diagnóstico a distancia, pero fallos por componentes electrónicos defectuosos, fugas en las líneas de gas, interrupciones imprevistas y otros problemas graves a menudo solo pueden resolverse en el lugar. En estos casos, se intenta organizar servicios en el sitio en coordinación con la empresa afectada. En situaciones particularmente complejas, puede ser necesario consultar al fabricante del equipo. Los especialistas de Dockweiler mantienen contacto estrecho con varias empresas de tecnología de soldadura, y el servicio técnico de Polysoude, debido a su alta capacidad de respuesta y soporte experto, ha ganado una buena reputación.

Ya sea que un cliente tenga preocupaciones por pequeñas irregularidades en los resultados de soldadura o esté enfrentando una falla total en su equipo, los especialistas en soldadura de Dockweiler siempre han logrado encontrar una solución satisfactoria en el pasado, y están decididos a dar lo mejor de sí en el futuro.

Resumen

La fabricación adecuada de componentes prefabricados para sistemas de tuberías de acero inoxidable de alta pureza requiere un control de entrada riguroso de las materias primas, una clasificación exhaustiva de las propiedades de soldadura de los materiales base y, no menos importante, un equipo de soldadura tecnológicamente avanzado. La soldadura orbital TIG sin material adicional es uno de los métodos más adecuados para unir tuberías delgadas cuando se exige la máxima calidad. La empresa francesa Polysoude, como fabricante y proveedor de sistemas de soldadura por arco automatizados, ocupa un papel de liderazgo en los mercados internacionales y también comercializa equipos diseñados específicamente para entornos de salas limpias.

La calidad constante de los componentes instalados es sin duda un requisito imprescindible para cumplir con las altas exigencias que se plantean a las redes de tuberías en áreas de alta pureza, pero el éxito sostenido en ventas solo se logra si los clientes pueden contar con asesoramiento completo y soporte técnico confiable. Esto es especialmente importante en relación con las uniones soldadas que los usuarios realizan en talleres o en el lugar. Por ello, Dockweiler proporciona a sus clientes información detallada, como parámetros de soldadura probados, y en caso de problemas graves, los usuarios pueden contactar directamente con los especialistas en soldadura de la empresa. Gracias a su amplia experiencia y a menudo en estrecha colaboración con los fabricantes de equipos, siempre han logrado encontrar soluciones aceptables para todos los problemas surgidos, y están decididos a seguir dando lo mejor en el futuro.