Una guida per il caposquadra sul camposaldature esotermiche fallite— le cinque cause del processo, la procedura diagnostica dettagliata e una diagnostica interattiva dei guasti di saldatura che è possibile eseguire prima di tagliare qualsiasi cosa.

Tre settimane fa, un appaltatore di Cebu mi ha inviato delle fotografie alle 23:00 ora locale. Duecento giunti esotermici erano stati realizzati nel trimestre precedente su una rete di messa a terra di una sottostazione da 33 kV. La messa in servizio era prevista per la mattina successiva. Metà dei giunti sembravano perfetti. L'altra metà presentava microfori lungo l'uscita del conduttore e misurava tra 600 e 900 micro-ohm, contro un valore sano di 30-50 sulla metà buona. Il fornitore, non noi, aveva consegnato ilpolvere di metallo per saldaturasu una nave rimasta ormeggiata in un molo di Manila per tre giorni di pioggia. Nessuno ha aperto una singola cartuccia per controllarla.

Quella chiamata è il motivo di questo articolo. Dopo 17 anni di lavorazionestampi per saldatura esotermicaPer gli acquirenti esteri — e dopo 12 anni passati a esaminare i loro rapporti di collaudo — ho smesso di credere ai guasti improvvisi. Ciò che sembra improvviso è quasi sempre un errore di processo che nessuno ha segnalato perché la scheda tecnica non lo specificava. Ecco cosa invio ora a ogni appaltatore che mi chiama per un guasto "misterioso", nell'ordine in cui glielo spiego in cantiere.

Perché una saldatura termitica fallita non fallisce quasi mai nel modo in cui pensi

Devo innanzitutto mettere in discussione l'intelaiatura, perché influenza ogni decisione di risoluzione dei problemi presa da una squadra. Quando un appaltatore mi chiama per una "saldatura difettosa", prima di chiedere qualsiasi altra cosa, pongo una domanda:Il giunto ha mai superato un test di resistenza, oppure ha fallito durante la messa in servizio la prima volta che è stato misurato?La risposta cambia tutto, perché un giunto che si è deteriorato durante l'utilizzo e un giunto difettoso fin dal giorno della gettata sono due problemi completamente diversi con due cause alla base completamente diverse.

Secondo la letteratura sulla gestione dell'invecchiamento delle connessioni elettriche interrate a cui fanno riferimento le aziende elettriche statunitensi (NUREG-1800, il rapporto generico sulle lezioni apprese dall'invecchiamento utilizzato per giustificare decenni di estensione della vita utile degli impianti), i meccanismi di degrado documentati per qualsiasi giunto interrato sono il ciclo termico, il riscaldamento ohmico, le vibrazioni e la corrosione, e il rapporto specifica esplicitamente che questi sono meccanismi che agiscono sulle interfacce.la saldatura esotermica non ha interfaccia con l'etàQuesto accade perché i conduttori e il rame fuso diventano un unico pezzo metallico continuo durante la reazione. Pertanto, quando una giunzione esotermica realizzata correttamente cede durante l'esercizio, il cedimento non si verifica quasi mai nel metallo di saldatura stesso, bensì in una sezione del conduttore che la saldatura non ha effettivamente raggiunto, oppure in un micro-spazio lasciato dalla saldatura a causa di cicli termici dovuti a un dosaggio errato della polvere durante la colata.

Che aspetto ha effettivamente un "difetto di colata" in un'analisi forense?

Le duecento giunzioni di Cebu mi hanno insegnato uno schema che si è confermato in quasi tutte le cedimenti multi-giunzione che ho esaminato da allora. Quando apriamo una giunzione danneggiata e ne lucidiamo la sezione trasversale, osserviamo una delle cinque microstrutture ricorrenti, e ciascuna corrisponde in modo preciso a una delle cinque cause di processo descritte nel resto di questo articolo:

• I fori di soffiaggio erano raggruppati vicino alla superficie del conduttore.Vapore derivante dall'umidità intrappolata: il più delle volte polvere umida, a volte un conduttore umido, occasionalmente condensa in uno stampo freddo.
• Una laminazione di ossido parallela all'asse del conduttore.Contaminazione tra il conduttore e il metallo di saldatura: olio proveniente da un'impronta digitale, ossido residuo da un cavo pulito in modo inadeguato o una pellicola di agente distaccante da uno stampo che non è stato preriscaldato.
• Una cavità non completamente riempita con una superficie concava a forma di perlina.Uno stampo in grafite usurato oltre il suo ciclo di vita, oppure una carica di polvere sottodimensionata rispetto alla sezione trasversale del conduttore che la colata doveva riempire.
• Una linea di produzione interrotta a freddo, dove due frontali metallici non si sono fusi correttamente.La tempistica di accensione non era corretta rispetto alla temperatura dello stampo, quasi sempre perché la squadra aveva tentato di accendere lo stampo appena uscito da un negozio climatizzato in una fredda mattina.
• Un cordone di saldatura legato a uno solo dei due conduttori in un incrocio.Disallineamento dello stampo in fase di chiusura, oppure spostamento del disco di polvere dal foro di spillatura durante l'accensione.

Una volta imparato a interpretare queste cinque microstrutture, la discussione sulla risoluzione dei problemi smette di essere basata su congetture. Il resto di questa guida illustra ciascuna causa nell'ordine in cui la esaminerei sul posto, con la fase di verifica che la conferma prima di tagliare anche un solo giunto.

È l'umidità la vera responsabile del cedimento di una saldatura termitica?

L'umidità è la causa principale del guasto che citerò perché è la più comune e la più facile da giustificare. Il rame fuso derivante dalla reazione esotermica si trova a circa 1.083 °C, il punto di fusione del rame, e nel momento in cui entra in contatto con l'acqua, quest'ultima evapora istantaneamente trasformandosi in vapore e il suo volume aumenta di circa 1.700 volte. Il vapore si fa strada attraverso il metallo di saldatura ancora fuso, lasciando una scia di fori, e la giunzione risulta compromessa prima ancora di raffreddarsi.Indagini sugli incidenti condotte dall'OSHA sulle operazioni di saldatura termiticaQuesto singolo meccanismo ha causato più lesioni da accensione e ustioni tra i membri dell'equipaggio di qualsiasi altro errore di processo esotermico.

Il motivo per cui questo processo fallisce in modo così silenzioso è che l'umidità ha tre nascondigli, e solo uno di questi è evidente.

• Polvere umida.La causa più comune di guasti nelle confezioni di grandi quantità. La polvere da sparo viene spedita in lattine sigillate per un motivo: una volta aperta la lattina, il contenuto diventa igroscopico e assorbe l'umidità ambientale nei climi costieri nel giro di poche ore. Una cartuccia che "sembra asciutta" non lo è.
• Conduttori umidi.Sia i cavi in ​​rame che quelli in acciaio rivestito di rame trattengono l'umidità negli interstizi tra i fili. Un cavo che è stato immagazzinato scoperto in loco durante un temporale è umido all'interno anche se l'esterno sembra asciutto, e una superficie asciugata con una fiamma ossidrica riassorbirà l'umidità in pochi minuti in presenza di aria umida.
• Condensazione da muffa fredda.Uno stampo di grafite estratto da un magazzino climatizzato a 18 °C e portato in una mattinata a 32 °C e con l'85% di umidità, formerà una pellicola d'acqua sulla parete della sua cavità prima che la squadra abbia posizionato il conduttore. La colata intrappolerà quindi questa pellicola tra la parete dello stampo e il metallo fuso.

L'autopsia di Cebu in tre righe

I giunti di Cebu sono falliti perché la polvere era rimasta su un molo bagnato dalla pioggia e la squadra ha aperto i barattoli la mattina stessa della colata. Hanno comunque usato la polvere perché sembrava asciutta, e la parte inferiore del cordone, su ogni giunto fallito, mostrava l'esatto schema di fori raggruppati che il vapore generato dall'umidità lascia dietro di sé. Un controllo del disidratante di 20 minuti su tre cartucce campione prima della colata avrebbe individuato l'intero lotto difettoso e la squadra avrebbe saputo di dover mettere in quarantena il resto.

Il vostro stampo in grafite ha superato il suo periodo di utilizzo ottimale?

Questo è il motivo per cui i fornitori gestiscono peggio questa situazione, perché la modalità di guasto è invisibile all'acquirente e il numero di cicli è un dato noto solo al fornitore.Documentazione tecnica del prodotto Cadweld di nVent ERICOvaluta gli stampi in grafite a circa 50-100 cicli di servizio e sulla nostra linea valutiamo i nostristampi per saldatura termicaallo stesso modo, dopo 50-100 cicli, con 80-100 giunzioni in condizioni di normale utilizzo sul campo. Dopodiché, la cavità si è erosa a tal punto che il foro di spillatura non dosa più il metallo fuso in modo pulito nella giunzione.

Il segnale inequivocabile di uno stampo usurato non è una crepa visibile, bensì il cordone di saldatura che perde la sua forma a cuscino e inizia a incurvarsi verso l'interno al centro. Uno stampo nuovo produce un cordone che si incurva delicatamente sopra il conduttore, perché la carica di polvere riempie leggermente in eccesso la cavità e l'eccesso si salda al montante. Uno stampo usurato, invece, non riempie a sufficienza, perché la cavità si è allargata a tal punto che la stessa carica di polvere non ha più il surplus necessario per incurvarsi. Gli operai compensano aggiungendo polvere, il che surriscalda la cavità e accelera l'usura: un circolo vizioso che richiede circa venti colate difettose per distruggere completamente uno stampo.

Come valutare uno stampo che non hai acquistato da noi

Se hai ereditato degli stampi da un altro fornitore, pesane uno confrontandolo con uno stampo funzionante della stessa geometria. Uno stampo in grafite perde circa 3-8 grammi per ciclo a causa dell'erosione termica e della pulizia; uno stampo con un peso inferiore di 50 grammi rispetto al suo peso iniziale ha subito più cicli di quelli consentiti dalla sua classificazione. In secondo luogo, osserva la forma del cordone di saldatura negli ultimi cinque getti: se uno qualsiasi di essi è concavo verso l'interno, lo stampo è stato spinto oltre il suo normale periodo di utilizzo.Norma IEEE 837-2014Nel quadro di qualificazione per le connessioni di messa a terra permanenti delle sottostazioni, la geometria della cavità di saldatura fa parte delle prove di qualificazione; pertanto, uno stampo usurato non rappresenta solo un rischio per la qualità, ma anche un rischio di conformità rispetto allo standard per il quale è stata specificata la giunzione.

Una carica di polvere sottodosata potrebbe compromettere silenziosamente le tue saldature?

La polvere da sparo viene venduta in cartucce di dimensioni standard per un motivo ben preciso.Poiché il rapporto tra la massa della polvere e quella del rame è la variabile che determina se la reazione genera calore sufficiente a fondere completamente la sezione trasversale del conduttore, un dimensionamento insufficiente della cartuccia crea una giunzione che si solidifica all'esterno ma risulta sottofusa all'interfaccia con il conduttore.La saldatura sembra a posto. La resistenza rivela la verità sei mesi dopo, quando la giunzione si surriscalda sotto la prima corrente di guasto.

La versione onesta di questo problema è che a volte le squadre sostituiscono una cartuccia di dimensioni inferiori quando quella della misura giusta non è disponibile, presumendo che "la quantità di metallo sia più o meno la stessa". La versione disonesta è che alcuni fornitori vendono una cartuccia n. 115 al prezzo di una n. 150 perché il modulo d'ordine dell'appaltatore indicava "50 mm² da cavo a cavo" senza specificare l'intera coppia di conduttori. Entrambe terminano con la stessa giunzione: un cordone ben rifinito, un micro-spazio nascosto nel conduttore e una resistenza che aumenta di anno in anno.

Le scorciatoie nella preparazione dei conduttori sono la causa nascosta delle giunzioni ad alta resistenza?

Ho visto squadre impiegare venti minuti a pulire la parte visibile di un filo di rame, tralasciando la sezione che va all'interno della cavità dello stampo, perché la scheda tecnica dice "pulire fino a ottenere un metallo brillante" senza specificare come.Poiché il legame si forma sulla superficie del conduttore che si trova all'interno della cavità al momento della colata, una sezione contaminata sotto la cavità crea una giunzione metallurgicamente continua all'esterno e laminata con ossido all'interno.

La contaminazione più comune che riscontro nelle analisi forensi non è lo sporco, bensì le impronte digitali. Gli operatori che maneggiano la sezione conduttrice che va all'interno dello stampo lasciano una sottile pellicola oleosa sulla pelle, e il rame fuso non riesce a penetrare tale pellicola per fondersi con il metallo di base. Il risultato è una giunzione con un piano di ossido continuo tra il metallo di saldatura e il conduttore, e un piano di ossido è esattamente il tipo di interfaccia che la norma NUREG-1800 documenta come via di degradazione in condizioni di cicli termici.

• Utilizzare una spazzola d'acciaio affilata e specifica per ogni materiale conduttore: rame, acciaio ramato e acciaio zincato richiedono ciascuno una spazzola diversa.
• Pulire la parte pulita con un panno privo di lanugine inumidito con alcol isopropilico, non con una mano guantata.
• Se il conduttore rimane esposto all'aria aperta per più di 15 minuti prima della colata, è necessario pulirlo nuovamente, poiché il rame fresco si riossida rapidamente in ambienti costieri e industriali.
• Da quel momento in poi, tenere la parte pulita con delle pinze pulite o un panno pulito, evitando qualsiasi contatto con la pelle.

La fasatura dell'accensione a freddo è la causa dei guasti nel turno del mattino?

Questa è la causa che nessuno mette per iscritto, perché sembra più un errore dell'operatore che un errore di processo. In realtà, la reazione esotermica è sintonizzata su uno specifico intervallo termico e uno stampo che si trova al di sotto di circa 25 °C al momento dell'accensione si comporta in modo diverso da uno che è stato preriscaldato. La polvere di partenza si incendia, il fronte di reazione si propaga attraverso la carica, ma il rame fuso perde calore a favore della grafite fredda più velocemente di quanto la reazione possa reintegrarlo, e il metallo raggiunge la cavità del conduttore al di sotto della temperatura di fusione. Il cordone si forma comunque. La fusione è incompleta.

Questo problema si verifica prevalentemente durante il turno mattutino negli stabilimenti in climi temperati o freddi, e prevalentemente durante il turno pomeridiano negli stabilimenti tropicali, dove le squadre pre-raffreddano gli stampi in magazzini climatizzati per "conservarli". Entrambe le pratiche producono lo stesso tipo di guasto: una linea di giunzione a freddo nel punto in cui due fronti metallici si sono incontrati ma non si sono fusi completamente, visibile in sezione trasversale come una netta discontinuità nella struttura granulare parallela alla parete della cavità.

Lista di controllo forense: cosa fare quando un giunto non supera la fase di collaudo

Quando un giunto di getto non supera il collaudo, procedere all'indagine in quest'ordine. I primi tre controlli richiedono meno di un'ora in loco e risolvono circa l'80% dei guasti a giunti multipli senza dover effettuare tagli.

1. Verificare la cronologia del lotto di polvere.Quando è stata consegnata la polvere, come è stata conservata e sono state aperte delle lattine prima del versamento? Qualsiasi risposta affermativa indica la presenza di umidità (Causa 1).
2. Tirare il tronco della muffa.Quanti cicli ha completato lo stampo? Confrontare con la classificazione di 50-100 cicli. Qualsiasi stampo che superi tale classificazione viene sostituito prima della successiva colata (Causa 2).
3. Verificare la granulometria della polvere rispetto alla tabella dei conduttori.Verificare che la dimensione della cartuccia su ogni contenitore corrisponda alla combinazione di conduttori sul giunto. Le mancate corrispondenze vengono sostituite con la cartuccia corretta (Causa 3).
4. Esaminare tre giunti danneggiati in sezione trasversale.Un taglio con sega a nastro e una lucidatura sono sufficienti per identificare i modelli di soffiatura (Causa 1), la laminazione dell'ossido (Causa 4), il riempimento insufficiente (Cause 2 e 3) o le linee di chiusura a freddo (Causa 5).
5. Mappare i guasti in relazione alla sequenza di colata.I guasti concentrati all'inizio di un turno indicano quasi sempre la Causa 5 (muffa fredda). I guasti concentrati alla fine di un lotto di polvere indicano la Causa 1 (polvere umida). I guasti distribuiti uniformemente durante un turno indicano le Cause 2 o 4.

Se i guasti resistono a tutti e cinque i controlli, il problema è quasi certamente di natura ambientale: composizione chimica del suolo, correnti vaganti o corrosione galvanica che trova un'interfaccia lasciata dalla saldatura. In tal caso, la discussione deve spostarsi dal processo alla progettazione. Questo argomento merita un articolo a parte.

Disciplina nel rifacimento: ridurre, non risaldare in loco

Una volta che una giunzione si è rotta, l'unica riparazione corretta consiste nel tagliare oltre la zona termicamente alterata e preparare nuovamente il conduttore da zero. Versare nuovo metallo d'apporto su una giunzione rotta non garantisce una fusione affidabile del nuovo metallo con quello vecchio, perché l'interfaccia originale ha già formato la propria metallurgia e qualsiasi porosità intrappolata diventa un punto di innesco per la successiva rottura. Il taglio deve essere di almeno 50 mm di conduttore pulito su ciascun lato della giunzione originale, il nuovo stampo deve essere entro il suo numero di cicli e il lotto di polvere deve provenire da una lattina appena aperta e verificata asciutta.

Anche la seconda colata è il momento giusto per aggiornare lo stampo se il fallimento è dovuto all'usura dello stampo. Spediamo i nostristampi per saldatura esotermicacon un registro ciclico serializzato in modo che gli acquirenti possano tracciare la storia di ogni stampo durante un progetto, e lo stesso registro dovrebbe accompagnare qualsiasi stampo che si sposti tra i diversi siti. Uno stampo di cui non si può tenere traccia è uno stampo di cui non ci si può fidare.

Come valutare il proprio fornitore attuale senza offendere nessuno

La maggior parte delle chiamate che ricevo su questo argomento non inizia con un guasto. Iniziano con un acquirente a cui è stato appena chiesto di qualificare un nuovo fornitore, o un ingegnere che ha ereditato un processo che non ha progettato, e vogliono sapere quali domande porre prima del prossimo guasto. La verità è che quasi tutti i fornitori sono in grado di spedire uno stampo che funziona il giorno della colata. La questione più difficile è se siano in grado di documentare perché il loro prodotto ha funzionato e se si assumeranno la responsabilità quando ciò non accadrà.

Su questo specifico problema, tre domande distinguono un fornitore affidabile da chi cerca solo di abbassare il prezzo, e io le sottoporrei a ogni acquirente in quest'ordine.

1. "Mostrami il modello del tuo registro del ciclo di muffa."Un fornitore che tiene traccia dei cicli di produzione sa che gli stampi si usurano. Un fornitore che non lo sa, invece, rischia di trasformare un vostro problema in un problema suo, al primo tentativo di colata sbagliata.
2. "Qual è la tracciabilità del lotto della vostra polvere?"Ogni lattina dovrebbe riportare un numero di lotto, una data di produzione e un indicatore di contenitore sigillato. Un fornitore che riconfeziona polveri sfuse in lattine senza etichetta rappresenta un rischio di umidità all'interno della confezione.
3. “Qual è la sua posizione sulla sostituzione delle cartucce con cartucce di dimensioni inferiori?”La risposta onesta è "rifiutiamo l'ordine finché non confermate la dimensione del conduttore". La risposta pericolosa è "possiamo spedire un contenitore più piccolo oggi stesso".

Abbiamo strutturato la nostra documentazione per l'esportazione attorno a queste tre domande perché sono le domande a cui le nostre indagini sui guasti continuano a riportarci. Sono anche le domande che mi porrei io, se fossi un acquirente.

Diagnosi dei guasti di saldatura: scegli il sintomo che riscontri sul campo.

Prima di tagliare anche un solo giunto, eseguite questa diagnosi. Selezionate il sintomo che corrisponde a ciò che state effettivamente osservando in loco (visivo, elettrico o temporale) e lo strumento lo assocerà alla causa più probabile tra le cinque sopra elencate, vi fornirà un indicatore di affidabilità e indicherà le azioni immediate da intraprendere prima della prossima gettata. Questo è lo stesso diagramma decisionale che illustro al cliente al telefono quando ricevo una segnalazione di guasto.

Domande frequenti sulle saldature esotermiche non riuscite

Jane Yang• Responsabile vendite, Xinchang Shibang New Material Co., Ltd.
12 anni di esperienza nel commercio estero di protezione contro i fulmini e messa a terra · 17 anni di produzione in fabbrica a supporto di ogni raccomandazione.
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