Una guía para capataces de camposoldaduras exotérmicas fallidas— las cinco causas del proceso, el análisis paso a paso del diagnóstico y un diagnóstico interactivo de fallas de soldadura que puede ejecutar antes de cortar nada.

Hace tres semanas, un contratista de Cebú me envió fotografías a las 11 p. m., hora local. Se habían vertido doscientas juntas exotérmicas el trimestre anterior en una red de puesta a tierra de una subestación de 33 kV. La puesta en servicio era a la mañana siguiente. La mitad de las juntas parecían perfectas. La otra mitad tenía microporos a lo largo de la salida del conductor y medían entre 600 y 900 microohmios, frente a unos saludables 30 a 50 en la otra mitad. El proveedor, no nosotros, había entregado las juntas.polvo de metal de soldaduraEn un barco que permaneció atracado en un muelle de Manila durante tres días de lluvia. Nadie abrió ni un solo cartucho para comprobarlo.

Esa llamada es la razón de este artículo. Después de 17 años de mecanizadomoldes de soldadura exotérmicaTras doce años analizando los informes de puesta en marcha de los compradores extranjeros, he dejado de creer en fallos repentinos. Lo que parece repentino casi siempre es un error de proceso que nadie detectó porque la hoja de especificaciones no lo indicaba. Esto es lo que ahora envío a cada contratista que me llama con un fallo "misterioso", en el orden en que se lo explico en la obra.

Por qué una soldadura aluminotérmica fallida casi nunca falla como uno piensa

Primero tengo que cuestionar el encuadre, porque influye en cada decisión que toma un equipo para solucionar problemas. Cuando un contratista me llama por una "soldadura defectuosa", le hago una pregunta antes de preguntar cualquier otra cosa:¿La junta superó alguna vez una prueba de resistencia, o falló durante la puesta en marcha la primera vez que se midió?La respuesta lo cambia todo, porque una junta que se degradó durante su uso y una junta que estaba defectuosa desde el día de su fabricación son dos problemas completamente diferentes con dos causas raíz completamente diferentes.

Según la literatura sobre gestión del envejecimiento de las conexiones eléctricas enterradas a la que hacen referencia las empresas de servicios públicos de EE. UU. (NUREG-1800, el informe de Lecciones Aprendidas sobre el Envejecimiento Genérico utilizado para justificar décadas de extensión de la vida útil de las plantas), los mecanismos de degradación documentados para cualquier junta enterrada son el ciclo térmico, el calentamiento óhmico, la vibración y la corrosión, y el informe es explícito en que estos son mecanismos que actúan sobre las interfaces.La soldadura exotérmica no tiene interfaz con el envejecimiento.Esto se debe a que, durante la reacción, los conductores y el cobre fundido se convierten en una sola pieza metálica continua. Por lo tanto, cuando una unión exotérmica correctamente fundida falla durante su uso, la falla casi nunca se produce en el metal de soldadura en sí, sino en una sección del conductor que la soldadura nunca llegó a alcanzar, o en una microbrecha resultante del ciclo térmico debido a que la carga de polvo fue incorrecta el día del vertido.

Así es como se ve realmente un “defecto del día del vertido” en un desmontaje forense.

Las doscientas juntas de Cebú me enseñaron un patrón que se ha mantenido en prácticamente todas las fallas de juntas múltiples que he experimentado desde entonces. Cuando abrimos una junta defectuosa y pulimos la sección transversal, observamos una de cinco microestructuras recurrentes, y cada una se corresponde claramente con una de las cinco causas del proceso que se describen en el resto de este artículo:

• Los orificios de ventilación se agrupaban cerca de la superficie del conductor.Vapor procedente de la humedad atrapada, generalmente polvo húmedo, a veces un conductor húmedo, ocasionalmente condensación en un molde frío.
• Una laminación de óxido paralela al eje del conductor.Contaminación entre el conductor y el metal de soldadura: aceite de una huella dactilar, óxido residual de un cable mal limpiado o una película de agente desmoldante de un molde que nunca se precalentó.
• Una cavidad parcialmente llena con una superficie de la cuenta cóncava.Un molde de grafito desgastado más allá de su ciclo de uso, o una carga de polvo insuficiente para la sección transversal del conductor que se pretendía llenar con el vertido.
• Una línea de producción que se cerró en frío debido a que dos frentes metálicos no se fusionaron correctamente.El momento de la ignición no era el adecuado para la temperatura del moho, casi siempre porque un equipo intentaba encender un molde recién sacado de una tienda con aire acondicionado en una mañana fría.
• Un cordón de soldadura adherido a solo uno de los dos conductores en un cruce.Desalineación del molde al cerrarlo, o desplazamiento de un disco de polvo fuera del orificio de la boquilla durante la ignición.

Una vez que aprenda a interpretar estas cinco microestructuras, la resolución de problemas dejará de ser una mera conjetura. El resto de esta guía analiza cada causa en el orden en que yo la investigaría in situ, incluyendo el paso de verificación que la confirma antes de realizar cualquier modificación.

¿Es la humedad la verdadera culpable cuando falla una soldadura aluminotérmica?

La humedad es la causa de falla que menciono al principio porque es la excusa más común y la más fácil de justificar. El cobre fundido de la reacción exotérmica se encuentra a unos 1083 °C —el punto de fusión del cobre— y en el momento en que entra en contacto con el agua, esta hierve instantáneamente convirtiéndose en vapor y expandiendo su volumen aproximadamente 1700 veces. El vapor se abre paso a través del metal de soldadura aún fundido, dejando un rastro de poros, y la junta se ve comprometida antes incluso de enfriarse.Investigaciones de incidentes de OSHA en operaciones de soldadura aluminotérmicaEste único mecanismo ha provocado más lesiones por ignición y quemaduras en la tripulación que cualquier otro error en un proceso exotérmico.

La razón por la que esto falla de forma tan silenciosa es que la humedad tiene tres lugares donde esconderse, y solo uno de ellos es evidente.

• Polvo húmedo.La causa más común de fallos en los cartuchos. La pólvora se envía en latas selladas por una razón: una vez abierta, su contenido es higroscópico y absorbe la humedad ambiental en climas costeros en cuestión de horas. Un cartucho que parece seco no lo está.
• Conductores húmedos.Tanto el cable de cobre como el acero revestido de cobre retienen la humedad en los intersticios. Un cable que ha permanecido a la intemperie durante una tormenta estará húmedo por dentro aunque el exterior parezca seco, y una superficie secada con soplete reabsorberá la humedad en cuestión de minutos en ambiente húmedo.
• Condensación por moldeo en frío.Un molde de grafito, al ser sacado de un almacén climatizado a 18 °C y expuesto a una temperatura de 32 °C y un 85 % de humedad en la mañana, condensará una película de agua en la pared de su cavidad antes de que el equipo coloque el conductor. Posteriormente, el vertido atrapa esa película entre la pared del molde y el metal fundido.

El análisis post mortem de Cebú en tres líneas

Las juntas de Cebú fallaron porque el polvo permaneció en un muelle empapado por la lluvia y el equipo abrió los botes la mañana del vertido. Aun así, usaron el polvo porque parecía seco, y la parte inferior del cordón, en cada junta fallida, mostraba el mismo patrón de orificios agrupados que deja el vapor impulsado por la humedad. Una revisión del desecante de 20 minutos en tres cartuchos de muestra antes del vertido habría detectado todo el lote, y el equipo habría sabido que debía aislar el resto.

¿Su molde de grafito está desgastado y ya ha superado su vida útil?

Esta es la causa que los proveedores manejan peor, porque el modo de falla es invisible para el comprador y el recuento del ciclo es algo que solo el proveedor conoce.Documentación del producto Cadweld de nVent ERICOcalificamos los moldes de grafito en alrededor de 50 a 100 ciclos de servicio, y en nuestra línea calificamos nuestrosmoldes para soldadura aluminotérmicacon los mismos 50 a 100 ciclos, con 80 a 100 juntas en uso normal en campo. Después de eso, la cavidad se ha erosionado lo suficiente como para que el orificio de rosca ya no dosifique el metal fundido limpiamente en la junta.

La señal inequívoca de un molde desgastado no es una grieta visible, sino que el cordón de soldadura pierde su forma de almohada y comienza a hundirse en el centro. Un molde nuevo produce un cordón que se abomba suavemente sobre el conductor, porque la carga de polvo llena ligeramente la cavidad y el exceso se suelda al bebedero. Un molde desgastado se llena menos de lo necesario, porque la cavidad se ha agrandado lo suficiente como para que la misma carga de polvo ya no tenga suficiente para abombar. Los operarios compensan añadiendo polvo, lo que sobrecalienta la cavidad y acelera el desgaste; un círculo vicioso que requiere unas veinte coladas defectuosas para destruir un molde por completo.

Cómo calificar un molde que no nos compraste

Si heredó moldes de otro proveedor, compare uno con un molde en buen estado de la misma geometría. Un molde de grafito pierde entre 3 y 8 gramos por ciclo debido a la erosión térmica y la limpieza; un molde que pesa 50 gramos menos que su peso inicial ha tenido más ciclos de los que permite su clasificación. En segundo lugar, observe la forma del cordón de soldadura en los últimos cinco vertidos: si alguno de ellos se hundió hacia adentro, el molde ha superado su vida útil.Norma IEEE 837-2014En el marco de calificación para las conexiones de puesta a tierra permanentes de subestaciones, la geometría de la cavidad de soldadura forma parte de la evidencia de calificación; por lo tanto, un molde desgastado no es solo un riesgo de calidad, sino también un riesgo de incumplimiento con respecto a la norma según la cual se especificó la junta.

¿Podría una carga de pólvora insuficiente estar perjudicando silenciosamente sus soldaduras?

La pólvora viene en cartuchos de tamaños estandarizados por una razón.Dado que la relación entre la masa de polvo y la de cobre es la variable que determina si la reacción genera suficiente calor para fundir completamente la sección transversal del conductor, un cartucho de tamaño insuficiente crea una unión que se solidifica en el exterior, pero que no se fusiona completamente en la interfaz del conductor.La cuenta tiene buen aspecto. La resistencia revelará la verdad seis meses después, cuando la unión se caliente bajo la primera corriente de falla.

La explicación honesta de este fallo es que, en ocasiones, los operarios sustituyen un cartucho por uno más pequeño cuando el tamaño adecuado no está disponible, bajo el supuesto de que contiene prácticamente la misma cantidad de metal. La explicación deshonesta es que algunos proveedores venden un cartucho n.º 115 al precio de uno n.º 150 porque el formulario de pedido del contratista indica «conexión cable a cable de 50 mm²» sin especificar el par de conductores completo. Ambos terminan con la misma unión: un borde bien acabado, una microbrecha oculta en el conductor y una resistencia que aumenta año tras año.

¿Son los atajos en la preparación de conductores la causa oculta de las uniones de alta resistencia?

He visto a equipos dedicar veinte minutos a limpiar la parte visible de un hilo de cobre y saltarse la sección que entra en la cavidad del molde, porque la hoja de especificaciones dice "limpiar hasta obtener un metal brillante" sin especificar cómo.Debido a que la unión se forma en la superficie del conductor que se encuentra dentro de la cavidad en el momento del vertido, una sección contaminada debajo de la cavidad crea una unión que es metalúrgicamente continua en el exterior y laminada con óxido en el interior.

La contaminación más común que observo en los desmontajes forenses no es suciedad, sino huellas dactilares. Los operarios manipulan la sección del conductor que se introduce en el molde, dejando una fina capa de aceite en la piel, y el cobre fundido no puede penetrar esa capa para fusionarse con el metal base. El resultado es una unión con un plano de óxido continuo entre el metal de soldadura y el conductor, y un plano de óxido es precisamente el tipo de interfaz que la norma NUREG-1800 documenta como vía de degradación durante los ciclos térmicos.

• Utilice un cepillo de acero afilado y específico para cada material conductor: el cobre, el acero revestido de cobre y el acero galvanizado necesitan cada uno su propio cepillo.
• Limpie la zona limpia con un paño sin pelusa humedecido con alcohol isopropílico, no con la mano enguantada.
• Vuelva a limpiar el conductor si permanece al aire libre durante más de 15 minutos antes del vertido, ya que el cobre nuevo se reoxida rápidamente en ambientes costeros e industriales.
• Sujete la sección limpia con unas pinzas limpias o un paño limpio a partir de ese momento, evitando el contacto con la piel.

¿El problema de la sincronización del encendido en frío está provocando los fallos en su turno de la mañana?

Esta es la causa que nadie documenta, porque suena más a error del operador que a error de proceso. La realidad es que la reacción exotérmica está ajustada a un rango térmico específico, y un molde que se encuentra por debajo de los 25 °C en el momento de la ignición se comporta de manera diferente a uno que ha sido precalentado. El polvo inicial se enciende, el frente de reacción se propaga a través de la carga, pero el cobre fundido pierde calor hacia el grafito frío más rápido de lo que la reacción puede reponerlo, y el metal llega a la cavidad del conductor por debajo de la temperatura de fusión. Aun así, se forma la gota. La fusión es incompleta.

Este problema se presenta mayoritariamente en el turno de la mañana en instalaciones de clima templado o frío, y mayoritariamente en el turno de la tarde en instalaciones tropicales, donde los operarios preenfrían los moldes en almacenes con aire acondicionado para conservarlos. Ambas prácticas generan el mismo patrón de fallo: una línea de cierre en frío donde dos frentes metálicos se unieron pero no se fusionaron completamente, visible en la sección transversal como una marcada discontinuidad en la estructura granular paralela a la pared de la cavidad.

Lista de verificación forense: Qué hacer cuando falla la puesta en marcha de una junta

Cuando una junta de vertido falla durante la puesta en marcha, siga este orden para la investigación. Las tres primeras comprobaciones tardan menos de una hora en obra y resuelven aproximadamente el 80 % de las fallas en juntas múltiples sin necesidad de cortar nada.

1. Verifique el historial del lote de polvo.¿Cuándo se entregó el polvo, cómo se almacenó y se abrieron las latas antes de verterlo? Cualquier respuesta afirmativa indica la presencia de humedad (Causa 1).
2. Retire el registro del molde.¿Cuántos ciclos ha completado el molde? Compárelo con la clasificación de 50 a 100 ciclos. Cualquier molde que supere su clasificación se reemplazará antes del siguiente vertido (Causa 2).
3. Verifique el tamaño del polvo según la tabla de especificaciones del conductor.Asegúrese de que el tamaño del cartucho de cada lata coincida con la combinación de conductores de la conexión. Si no coinciden, se volverán a llenar con el cartucho correcto (Causa 3).
4. Inspeccione tres juntas defectuosas en la sección transversal.Un corte con sierra de cinta y un pulido son suficientes para identificar patrones de porosidad (Causa 1), laminación de óxido (Causa 4), llenado insuficiente (Causas 2 y 3) o líneas de cierre en frío (Causa 5).
5. Mapear los fallos en función de la secuencia de vertido.Las fallas que se concentran al inicio de un turno casi siempre apuntan a la Causa 5 (moldeo en frío). Las fallas que se concentran al final de un lote de polvo apuntan a la Causa 1 (polvo húmedo). Las fallas que se distribuyen uniformemente a lo largo de un turno apuntan a las Causas 2 o 4.

Si los fallos superan las cinco comprobaciones, el problema es casi con toda seguridad ambiental: la química del suelo, las corrientes parásitas o la corrosión galvánica que encuentra una interfaz que dejó la soldadura. En ese caso, la conversación debe pasar del proceso al diseño. Ese tema merece un artículo aparte.

Disciplina de revertido: Reducir, no volver a soldar en el mismo lugar.

Una vez que una junta falla, la única reparación correcta consiste en retirar el material de la zona afectada por el calor y volver a preparar el conductor desde cero. Verter metal de soldadura nuevo sobre una junta defectuosa no garantiza una fusión fiable entre el metal nuevo y el antiguo, ya que la interfaz original ya ha desarrollado su propia metalurgia y cualquier porosidad atrapada se convierte en un foco de nucleación para la siguiente falla. El corte debe abarcar al menos 50 mm de conductor limpio a cada lado de la junta original, el nuevo molde debe estar dentro de su ciclo de uso y el polvo debe provenir de un envase recién abierto y verificado como seco.

El segundo vertido también es el momento adecuado para actualizar el molde si la falla indicó desgaste del molde. Enviamos nuestrosmoldes de soldadura exotérmicaCon un registro de ciclo serializado para que los compradores puedan rastrear el historial de cada molde a lo largo de un proyecto, y el mismo registro debe acompañar a cualquier molde que se traslade entre diferentes ubicaciones. Un molde cuyo historial no se puede controlar es un molde en el que no se puede confiar.

Cómo auditar a su proveedor actual sin insultar a nadie.

La mayoría de las consultas que recibo sobre este tema no comienzan con un fallo. Comienzan con un comprador al que se le acaba de pedir que califique a un nuevo proveedor, o con un ingeniero que ha heredado un proceso que no diseñó, y quieren saber qué preguntas hacer antes del próximo fallo. La verdad es que casi todos los proveedores pueden entregar un molde que funcione el día del vertido. La cuestión más difícil es si pueden documentar por qué su producto funcionó y si asumirán la responsabilidad cuando falle.

En este conjunto específico de problemas, tres cuestiones distinguen a un proveedor real de un agente de descuentos, y yo las analizaría con cada comprador en este orden.

1. “Muéstrame tu plantilla de registro del ciclo de moldeo.”Un proveedor que lleva un registro de los ciclos de producción sabe que los moldes se desgastan. Un proveedor que no lo hace está a un solo fallo en el vertido de convertir tu problema en el suyo.
2. “¿Cuál es su sistema de trazabilidad de lotes de polvo?”Cada lata debe llevar un número de lote, una fecha de fabricación y un indicador de envase sellado. Un proveedor que reenvasa polvo a granel en latas sin etiquetar representa un riesgo de humedad en el envase.
3. “¿Cuál es su postura sobre la sustitución de cartuchos de tamaño inferior al reglamentario?”La respuesta honesta es: «Rechazamos el pedido hasta que confirme el tamaño del conductor». La respuesta peligrosa es: «Podemos enviar una lata más pequeña hoy mismo».

Elaboramos nuestra documentación de exportación en torno a estas tres preguntas porque son las que siempre vuelven a surgir en nuestras investigaciones de fallos. Además, son las preguntas que yo nos haría si fuera comprador.

Diagnóstico de fallas de soldadura: seleccione el síntoma que observe en el campo.

Antes de cortar una sola junta, ejecute este diagnóstico. Seleccione el síntoma que coincida con lo que observa en la obra (visual, eléctrico o el patrón de tiempo) y la herramienta lo relaciona con la causa más probable de las cinco mencionadas anteriormente, le proporciona un nivel de confianza y enumera los pasos inmediatos a seguir antes del siguiente vertido. Este es el mismo diagrama de flujo que le explico a un comprador por teléfono cuando recibo una llamada sobre una falla.

Preguntas frecuentes sobre soldaduras exotérmicas fallidas

Jane Yang• Gerente de Ventas, Xinchang Shibang New Material Co., Ltd.
12 años de experiencia en protección contra rayos y puesta a tierra en el comercio exterior · 17 años de producción en fábrica que respaldan cada recomendación.
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