boletin diciembre 2008 tensiones residuales

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El boletn de soldadura numero 1 en las naciones hispanohablantes!

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FUENTE DE LAS TENSIONES RESIDUALES

INTRODUCCION

La conductividad trmica (fenmeno por medio del cual el calor es transportado desde las regiones de

alta temperatura hasta las regiones de baja temperatura de una sustancia o elemento) es la fuente principal que desencadena las tensiones residuales, posterior a una operacin de soldeo.

La aplicacin de calor a los metales produce dilatacin -expansin trmica-, y el frio produce contraccin, por lo anterior si la pieza ha sido calentada totalmente, es poco probable que sufra algn tipo de deformacin, pero, en el caso de habrsele sometido a calentamiento parcial sufrir algn tipo de deformacin al enfriarse, esto es lo que generalmente acontece por la aplicacin de calor en una operacin de soldeo.

Los metales (y en gran medida el acero) no son ajenos a esta influencia, es mas son bastante susceptibles al calor, por lo cual en pro de evitar y/o reducir las tensiones residuales se procura trabajar desde el mismo diseo de los procedimientos de soldadura, concretamente en lo referente a los parmetros de energa calorfica a aplicar (heat input) en una operacin de soldeo.

Existe una premisa en lo relacionado con este asunto de las tensiones: a menor cantidad de tensiones residuales= mayor deformacin, o viceversa; por ello el asunto relacionado con su prevencin debe ser analizado lo mas concienzudamente, a fin de de producir un equilibrio lo mas controlable posible. Es decir la mnima deformacin y a la vez la mnima cantidad de tensiones residuales

Deber tenerse en cuenta hasta que punto se permitir la deformacin (para evitar las tensiones residuales) y si el proceso de correccin enderezado- del elemento soldado no terminara por generar ms tensiones residuales que las que se hubiesen producido naturalmente con un apropiado embridamiento de la pieza. Previendo que el mtodo ms comn para enderezar un elemento soldado deformado, es por medio de calor por soplete, el cual cuando no es debidamente controlado- producir microestructuras frgiles susceptibles de generar grietas, por causa de las mismas tensiones residuales y de carga aplicada.

O esta el caso de un elemento que se embrida excesivamente -sin que se produzca deformacin- pero en cuyo interior se desencadenan ruptura de los enlaces atmicos, ante la mas mnima tensin o carga aplicada.

La presente edicin trae consigo el anlisis de las tensiones residuales, el cuando, el como y el porque, su definicin, prevencin y correccin.

Mike Lvi

Copyright 2008, por Mikayah Lvi, todos los derechos reservados. Bogot, Colombia.

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TENSIONES RESIDUALES

1. Que son?

Las tensiones residuales son esfuerzos internos que se forman en las piezas industriales, sin la aplicacin de fuerzas externas y sin que las piezas estn sometidas a gradientes de temperatura. Otros nombres menos comunes con las que se las denomina son: Tensiones internas, tensiones iniciales o tensiones inherentes.

Tal vez entendamos mejor este concepto si recordamos que cuando una pieza industrial es sometida a fuerzas externas, estas generan internamente en el material de la pieza tensiones (tambin conocidas como esfuerzos), en el caso de la aplicacin de fuerzas en el sentido axial de la pieza o en la direccin normal a la seccin transversal de la pieza, se generan tensiones normales que son proporcionales a la magnitud de fuerza aplicada e inversamente proporcionales a la seccin transversal. Estas tensiones pueden ser de traccin (positivas) o de compresin (negativas). Adems, si una pieza industrial tiene diferentes temperaturas (gradientes de temperaturas), tambin se formarn tensiones.

Pero, en el caso de las tensiones residuales, estas estn presentes en el material sin que existan solicitaciones mecnicas externas o diferencias de temperatura.

2. De donde provienen?

Las tensiones residuales en las piezas industriales se forman normalmente por efecto de procesos de manufactura aplicados sobre un material para fabricar una pieza industrial con geometra definida, los procesos de manufactura ms comunes que generan tensiones residuales son: Procesos de Fundicin, Procesos de conformacin plstica en fro, procesos de mecanizado (arranque de viruta) y los que ms nos interesan, procesos de soldadura.

En fundiciones, se forman mediante las fuerzas de contraccin que surgen a medida que la pieza se solidifica; en el mecanizado, por la accin cortante que va siempre acompaada de deformacin; al soldar, debido a la expansin y contraccin del material soldado con los cambios de temperatura (ciclo trmico).

En la mayor parte de los casos, las tensiones residuales en piezas metlicas son causadas por la deformacin y distorsin de partes de la estructura cristalina interna del material. Para restaurar esta estructura cristalina (retcula interna), es necesario que esta recupere su estado original -alivie las tensiones residuales-, esto se consigue con la introduccin de algn tipo de energa a la pieza (calor y/o vibraciones mecnicas).

3. Son perjudiciales?

En la mayor parte de los casos se las considera muy perjudiciales, pudiendo afectar notablemente el comportamiento en servicio de las piezas industriales, explicaremos algunos casos tpicos.

3.1 Influencia en la Corrosin

Existe un tipo de corrosin que se ve notablemente afectada por las tensiones residuales, este fenmeno se conoce como corrosin bajo tensin (o tambin corrosin sobre tensin), en este caso son las tensiones de traccin (positivas) que generan una influencia muy negativa en la corrosin.


3:

La corrosin bajo tensin es un mecanismo de rotura progresivo de los metales que se crea por la combinacin de un medio ambiente corrosivo y de una tensin de traccin constante. El fallo estructural debido a la corrosin bajo tensin es muchas veces, imprevisible y aparece tanto tras pocas horas como tras meses o aos de servicios satisfactorios (ver figura 1). Se encuentra, frecuentemente, en ausencia de cualquier otro tipo de ataque corrosivo. Casi todas las aleaciones son sensibles a la corrosin bajo tensin en un medio ambiente especfico y con un conjunto de condiciones. La tensin de traccin necesaria para la corrosin bajo tensin est "esttica" y puede ser residual y/o aplicada.

El agrietamiento progresivo debido a tensiones "cclicas" se llama "fatiga-corrosin". La frontera entre la corrosin bajo tensin y la fatiga-corrosin no es muy evidente. Sin embargo, como los mecanismos que provocan cada fenmeno son distintos, se separan y se consideran como mecanismos de rotura diferentes.

El proceso de granallado (shot peening) es muy usado industrialmente para limpiar piezas y tambin para generar tensiones residuales de compresin superficiales. El granallado controlado, introduce una tensin residual de compresin en la superficie del material, acta sobre los dos fenmenos anteriormente mencionados y puede impedirlos o retrasar su ocurrencia, en consecuencia en este caso las tensiones residuales son beneficiosas.

3.2 Influencia en la Fatiga

La fatiga se considera uno de los fenmenos ms peligros en la industria, y su ocurrencia es el motivo de la mayor parte de las fallas mecnicas industriales (Especialmente rotura de piezas). Se puede considerar que la fatiga es la prdida de resistencia mecnica por la alteracin de la estructura interna del material debido a la aplicacin de cargas cclicas.

Las tensiones residuales empeoran notablemente la vida a la fatiga de piezas industriales, se sospecha que esta influencia negativa se debe a una disminucin del lmite elstico del material. Por otro lado, las deformaciones internas del material pueden transformarse en microfisuras que con el paso del tiempo y las cargas cclicas se convertirn en grietas (especialmente en la superficie de la pieza).

Sin embargo, se ha demostrado que tensiones residuales de compresin superficial, mejoran la resistencia a la fatiga de las piezas industriales, por lo que una vez ms se pone de manifiesto lo beneficioso que puede ser el proceso de granallado aplicado a piezas industriales.

3.3 Inestabilidad geomtrica (deformaciones y distorsiones)

Uno de los principales problemas que se presentan en la fabricacin de piezas metlicas, es la acumulacin de esfuerzos o tensiones que provocan la deformacin y la prdida de la estabilidad dimensional. Los fabricantes pueden experimentar problemas con la retencin de tolerancias dimensionales en la produccin de sus piezas, especialmente en aquellas donde se requiere gran precisin dimensional.


4:

En este caso tanto tensiones residuales de traccin como de compresin son perjudiciales, y en casos donde estas son muy grandes, es necesario por algn medio eliminarlas, evitando de esta forma la futura deformacin de la pieza.

4. Las tensiones residuales en el proceso de soldadura

Las tensiones que se introducen en un material, inducidas por un proceso de soldadura tienen una gran importancia y son objeto de gran inters por su influencia en el posterior comportamiento en servicio de la pieza. La necesidad de su conocimiento y su influencia se hace ms evidente teniendo en cuenta, por ejemplo, el frecuente uso de la soldadura en fabricaciones y reparaciones de tuberas y tanques a presin.

Durante un proceso de soldadura la distribucin de temperaturas no es uniforme y la variacin de temperaturas entre el bao de fusin y el material base es muy alta. As, segn avanza el proceso la zona recin solidificada resiste la contraccin del bao de fusin que va por delante, apareciendo tensiones de contraccin, tanto longitudinales como transversales en el cordn (Figura 2).

Se puede concluir que las causas de las tensiones aparecidas en una soldadura se deben a:

Causas trmicas: dilataciones y contracciones del material en distintas zonas, puesto que el ciclo trmico vara punto a punto y hay un desfase en el tiempo de los ciclos trmicos.

Variacin de propiedades mecnicas con la temperatura

Variaciones de volumen debidas a cambios microestructurales.

4.1. Distribucin de tensiones residuales.

En una soldadura los cambios de temperatura y tensiones durante el proceso se muestran de forma esquemtica en la figura 3. En esta figura puede observarse la distribucin de temperaturas (figura 3B) y de tensiones

longitudinales(figura 3C) en

diferentessecciones

transversales a la direccin de avance (figura 3A), que

representan diferentes momentos en el proceso de soldadura de la chapa.


5:

Puesto que estas tensiones residuales son exclusivamente de origen trmico no pueden producir una fuerza ni un momento resultante. Las tensiones que se producen durante la fabricacin de una estructura o un componente soldado se clasifican en tensiones residuales de soldadura (causadas por la soldadura de partes sin restricciones a las dilataciones y contracciones), y tensiones de reaccin (causadas por restricciones externas o EMBRIDAMIENTO). En la figura 4 se observa una tpica distribucin de ambas tensiones en una soldadura a tope de una sola pasada. En la soldadura de aceros de bajo contenido en carbono el mximo valor alcanzado es del orden del lmite elstico del material depositado.

Las tensiones transversales como se observa son de menor magnitud y de traccin en la parte central y de compresin en los extremos. Las tensiones residuales en el sentido del espesor (z) se hacen significativas para soldaduras de ms de 1 de espesor. En la figura 5 se observa la distribucin de las tensiones residuales a lo largo del espesor de una unin soldada de 1.

4.2. Deformaciones de uniones soldadas

Las deformaciones producidas como consecuencia de los procesos de soldadura pueden clasificarse en:

Deformaciones en el plano

a) Contraccin transversal (transverse shrinkage)

b) Contraccin longitudinal (longitudinal shrinkage)

c) Separacin o acercamiento de piezas (Rotational distorsion)

Deformaciones fuera del plano

a) Deformacin angular (angular distorsion)

b) Deformacin por flexin (bending distorsion)

c) Deformacin por torsin (buckling distorsion)

4.2.1 Deformaciones en el plano

En la figura 6 se pueden observar los principales tipos de estas deformaciones.


6:

Las deformaciones de contraccin son debidas a la contraccin del metal depositado al soldar. La contraccin transversal de la figura 6 es uniforme a lo largo de toda la longitud, sin embargo, suele ser ms compleja debido al acercamiento o alejamiento de las piezas y a las posibles restricciones.

La magnitud de la contraccin transversal en aceros al carbono puede estimarse con la siguiente ecuacin:

Donde:

S= 0.2(Aw / t)+0.05dAw= Seccin transversal

t= espesor

d= separacin entre bordes en la raz

En pasadas mltiples la contraccin total puede estimarse con la siguiente relacin:

Donde:

S= So+b(log w log wo)S= contraccin total

So= contraccin primera pasada

W= peso total de metal depositado


7:

wo= peso de metal depositado en la primera pasada

b= coeficiente

La contraccin longitudinal es mucho menor que la transversal, pudiendo estimarse para soldadura a tope en:

Donde:

L= (C3 I L / t)10-7I= Intensidad

L= Longitud

T= espesor

C3= 12 35 segn se utiliza pulgadas o milmetros

El acercamiento o alejamiento de bordes est influenciado por el calor aportado (heat input) y la velocidad de avance. As en procesos como el arco sumergido (SAW) los bordes de las piezas tienen tendencia a separarse, mientras que con electrodo revestido, la tendencia puede ser la contraria por la relativa lentitud de la velocidad de avance.

4.2.2 Deformaciones fuera del plano

En la figura 7 se pueden observar los principales tipos de estas deformaciones. La deformacin angular es como se indica en esta figura, si no hay restricciones al movimiento, pero si existen, las deformaciones varan. En la figura 8 se puede ver un ejemplo para soldadura de filete (fillet).

La deformacin por flexin se produce cuando el eje neutro de la estructura soldada no coincide con el cordn de soldadura, lo que provoca la aparicin de momentos flectores debidos a la contraccin longitudinal.

La deformacin por torsin aparece cuando en chapas finas aparecen tensiones residuales de comprensin alejadas del cordn. Este tipo de deformacin se produce, en consecuencia, cuando la longitud del cordn excede de un valor crtico para el espesor de la chapa.


8:

Diversos estudios han concluido que la deformacin por torsin aparece cuando:

Donde:

Hcr > 33 MJ/in3 (2 MJ/cm3)Q= input trmico en kJ/in (J/cm)

Siendo: Hcr= (Q / t3)bt= espesor en in (cm)

b= ancho de la chapa en in (cm)

4.2.3 Prediccin de las Deformaciones

De forma general puede indicarse que los principales factores que afectan al grado de deformacin son:

Procedimiento de soldaduraDiseo de la junta

Propiedades de los materiales de baseRestricciones utilizadas

En la bibliografa especializada, se puede conseguir modelos para predecir las magnitudes de las distorsiones y deformaciones. Debemos alertar que estas deben tomarse con mucha cautela, pues normalmente son realizadas para algunos casos idealizados, y no toman en cuenta todos los factores influyentes. Como ejemplo presentamos el grafico de la figura 9, retirado del manual de la ASM, en este grafico se puede predecir la flecha que se formar al soldar una viga en T con un cateto o pierna de filete especificado, para materiales de acero y aluminio.

4.3. Alivio de tensiones residuales

Las tensiones residuales pueden ser atenuadas de dos formas diferentes:

Va trmica.

a) Precalentamiento. Disminuye las tensiones, pero aumenta el peligro de deformaciones

b) Tratamiento trmico postsoldadura (recocido de alivio de tensiones). Disminuye tensiones y aumenta tenacidad, pero disminuye propiedades como lmite elstico y en aceros aumenta temperatura de transicin.

Va mecnica (por ejemplo: vibraciones, ultrasonido, etc.).

Analizando el cambio del estado tensional de una unin soldada cuando esta es sometida a cargas externas puede deducirse que:


9:

El efecto de las tensiones residuales es significativo en situaciones donde las cargas aplicadas no alcanzan valores elevados como en fatiga, fractura frgil y agrietamiento por corrosin bajo tensin.

Segn aumenta el nivel de las cargas, la influencia de las tensiones residuales disminuye.

Su influencia es muy pequea cuando las cargas aplicadas superan el lmite elstico del material.

Su influencia disminuye despus de aplicar cargas cclicas.

Los procedimientos y mtodos para reducir y/o minimizar las Tensiones y deformaciones sern abordados con mayor profundidad en el siguiente artculo especializado.

Por: Dr. Ivn Aguirre, Prof. Universidad Mayor de San Simn, Bolivia.

LAS TENSIONES RESIDUALES EN LA SOLDADURA Y SUS CONSECUENCIAS

Las tensiones residuales habitualmente son identificadas como uno de los factores que mas influyen en el deterioro de las construcciones soldadas. Desde hace algn tiempo, los ingenieros e investigadores se han dado a la tarea de estudiarlas para determinar sus caractersticas, as como las formas de atenuarlas o eliminarlas. Una de los principales problemas a los que se enfrenta el mundo del metal es a la acumulacin de esfuerzos o tensiones que provocan la deformacin y la prdida de estabilidad dimensional. Podemos definir las tensiones residuales como cualquier esfuerzo en un cuerpo elstico que se encuentre libre de fuerzas o restricciones externas y de cambios o gradientes de temperatura. Los esfuerzos, cuando no son iguales, pueden ocasionar deformaciones del material. Grandes esfuerzos en un lado de la pieza provocan movimiento o deformacin. Si los esfuerzos son iguales a lo largo de toda la pieza, se compensan y no hay deformacin. Si el desequilibrio es demasiado grande, la pieza jams volver a su condicin anterior. En los esfuerzos residuales hay dos componentes a tomar en cuenta: tensin y compresin. Las leyes de la Fsica y las Matemticas exigen un equilibrio entre la magnitud de compresin y la de tensin. Desafortunadamente, en el trabajo con el metal, no hay un equilibrio uniforma. La meta es producir un buen componente metlico o una estructura con bajos esfuerzos residuales. Esto requiere un programa para el alivio o la reduccin de estas tensiones con el fin de evitar futuros daos en el material.

En el mundo del deporte encontramos un ejemplo muy clarificador: si un deportista sufre un calambre o una distensin muscular, el primer tratamiento recomendado es un masaje; si no se lleva a cabo, ese tirn muscular


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puede convertirse en una fisura o ruptura de fibras en un plazo ms o menos corto. Con el metal sucede lo mismo: las deformaciones internas del material pueden transformarse en micro-fisuras que con el paso del tiempo se traducirn en grietas en el exterior de la pieza. Para tratar de devolver a la estructura metlica interna su forma ideal, hay que introducir energa dentro del metal.

Al igual que en la prctica es imposible conseguir una estructura sin desviaciones respecto a su forma geomtrica idealizada, lo que significa que las estructuras reales son imperfectas, es sumamente difcil construir estructuras que, en ausencia de toda carga exterior, se hallen libres de tensiones. El origen de estas tensiones reside en el proceso de fabricacin; por ejemplo, cuando las placas o las partes de una placa se sueldan, el metal prximo a la zona de soldadura se calienta extraordinariamente, mientras que el ms separado de sta se encuentra a temperatura ambiente. Cuando termina el proceso de soldadura, la estructura completa alcanza finalmente la temperatura ambiente, de forma que la contraccin asociada al enfriamiento de las zonas calientes origina el nacimiento de tensiones. En conjunto, estas tensiones pueden revestir cierta importancia y los valores locales que alcanzan en la zona de la soldadura tienden a ser muy elevados. Otra fuente de tensiones residuales puede ser el hecho de que durante el perodo que dura la construccin de una gran estructura, un puente por ejemplo, haya habido cambios marcados de temperatura. Estas tensiones suelen ser de valor inferior a las producidas por las soldaduras, pero dado que pueden estar ms repartidas, sus efectos pueden compararse en importancia. Para eliminar estas tensiones residuales suele seguirse el procedimiento de calentar toda la estructura por encima de una cierta temperatura, cuyo valor depende en particular de cada material, y a continuacin dejarla enfriar lentamente. Ahora bien, es evidente que este procedimiento, llamado alivio de tensiones, no es practicable en barcos, puentes u otras estructuras de gran tamao.

Las distribuciones de tensiones en stos y otros procesos de fabricacin se auto-equilibran de forma que no es posible apreciar reaccin alguna. En otras palabras, si nos mostraran una estructura acabada, sin conocer su proceso de fabricacin ni si han sido aliviadas las tensiones, no podramos deducir de una inspeccin superficial si hay o no tensiones residuales presentes en el material. Sin embargo, la presencia de tensiones residuales puede influir sobre la respuesta de la estructura al sistema exterior de cargas para el que ha sido proyectada; por tanto, debemos situarnos en posicin de contestar a la pregunta siguiente: Afectan las tensiones residuales a la estabilidad de la estructura?

La variacin de las tensiones residuales del espesor de piezas normales es insignificante en placas con espesores menores de 25 mm, pero pueden ser considerables en placas gruesas, si la pieza es de gran tamao, la soldadura tiene un efecto primario de tensiones en una relativa pequea regin alrededor del cordn; y no tiene cambios bruscos de tensiones en otras partes. Este efecto de la soldadura puede ser ms significativo para piezas pequeas.

Las tensiones residuales se clasifican de acuerdo al mecanismo que producen:

Las producidas por diferencias estructurales

Las producidas por una desigual distribucin de las tensiones no elsticas, incluyendo las tensiones plsticas y trmicas

Factores que contribuyen a las tensiones residuales

a) Geometra de la estructura Parmetros estructurales: b) Espesor de la placa

c) Tipo de junta


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Parmetros del material:

Parmetros de fabricacin:

a) Material del metal base

b) Material del metal de aporte

a) Procesos de soldadura

b) Parmetros del proceso c) Parmetros de las piezas

Lo anteriormente expuesto demuestra que cuando se utiliza el proceso de soldadura, ya sea para construir o reparar puede traer alteraciones en los materiales y/o estructuras y que numerosos autores coinciden con sus anlisis de la problemtica por lo que hay que considerar sus consecuencias nocivas.

Las tensiones residuales afectan en forma significativa a fenmenos que suceden a bajos niveles de tensin, tales como:

1. Fractura frgil

2. Fisuracin por tensin-corrosin

3. Carga crtica de piezas expuestas a colapso elstico

4. Estabilidad dimensional despus del mecanizado

Desconocer esta influencia puede traer consecuencias fatales o daos incalculables en la utilizacin de un determinado mecanismo, de una pieza y en ocasiones de plantas completas. Es de suma importancia el conocimiento de las consecuencias nocivas de las tensiones residuales en la soldadura, pero se necesita de mtodos de deteccin y medicin de las mismas.

Deteccin de las tensiones residuales

En general, se han propuesto y utilizado muchas tcnicas para medir tensiones residuales en los metales.

En la actualidad, estas tcnicas para medir las tensiones residuales se dividen en los siguientes grupos:

1. Relajacin de tensiones (stress-relaxation)

2. Difraccin de rayos-x

3. Utilizacin de propiedades sensibles a los esfuerzos

4. Tcnica de agrietamiento

Estos grupos, a su vez, tienen diferentes campos de aplicacin y utilizan diferentes elementos sensibles para la medicin, como se muestra en la Tabla 1.

En las tcnicas de relajacin de tensiones, los esfuerzos residuales son determinados midiendo las deformaciones elsticas liberadas. Esto ocurre cuando los esfuerzos residuales son liberados mediante el corte de la muestra en pedazos o por la extraccin de un pedazo de la muestra. En la mayora de los casos, se utilizan para medir la deformacin liberada por medio de deformmetros mecnicos o galgas elctricas. Existe una variedad de tcnicas


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que dependen del seccionamiento de las muestras para determinar los esfuerzos residuales. Algunas tcnicas se aplican principalmente a cilindros, tuberas o slidos tridimensionales.

Las deformaciones elsticas en los metales que tienen estructuras cristalinas, pueden ser determinadas por la medicin de sus parmetros reticulares utilizando tcnicas de difraccin por rayos-x. Puesto que el parmetro reticular de un metal en estado no tensionado es conocido o puede ser determinado de forma separada, las deformaciones elsticas en el metal pueden ser determinadas no destructivamente sin maquinar o barrenar. En la actualidad se tienen disponibles dos tcnicas: la de pelcula de rayos-x y la del difractmetro por rayos-x. Con la tcnica de difraccin de rayos-x, la deformacin superficial puede ser determinada en un rea pequea, a una profundidad y dimetro de 0.003 mm. Las tcnicas de difraccin de rayos-x son las nicas tcnicas aplicables para medir tales esfuerzos residuales como los de cajas de bolas (rodamientos) y dientes de engranes y esfuerzos residuales superficiales posterior al maquinado o rectificado.

Clasificacin de las tcnicas para la medicin de tensiones residuales

1.Tcnica de seccionado utilizando resistencias

Aplicable principalmente a placaselctricas strain gauges

2.Tcnica de Gunnert

A-1Relajacin de tensiones utilizando3.Tcnica de barrenado de Mathar-Soete

4.Tcnica de fresado sucesivo de Stablein

defrmetros mecnicos y galgas

Aplicable principalmente a5.Tcnica de maquinado sucesivo de Heyn-Bauer

elctricas

cilindros slidos y tubos6.Tcnica de trepanacin de Mesnager-Sachs

Aplicable principalmente a slidos7.Tcnica de barrenado de Gunnert

tridimensionales8.Tcnica de seccionado de Rosenthal-Norton

A-2Relajacin de tensiones utilizando9.Tcnica utilizando sistema divisor de retcula

10.Tcnica de barrenado con capa frgil

aparatos diferentes a los anteriores

11.Tcnica de barrenado con capa fotoelstica

BDifraccin por rayos-x12.Tcnica de pelcula de rayos-x

13.Tcnica de difractmetro de rayos-x

C Utilizacin de propiedades sensibles aTcnicas ultrasnicas14.Tcnicas de ondas ultrasnicas polarizadas

los esfuerzos15.Tcnicas de atenuacin ultrasnica

16.Tcnicas de durezas

DTcnica de agrietamientos17.Tcnica de agrietamiento por hidrgeno inducido

18.Tcnica de agrietamiento esfuerzo corrosin

Tabla 1

Sin embargo, estas tcnicas por rayos-x tienen varias desventajas. Primero, son procesos ms bien lentos. En cada punto de medicin debe de realizarse sta en dos direcciones requiriendo cada una de 15 a 30 minutos de tiempo de exposicin para la tcnica de pelcula. Segundo, la medicin no es muy precisa, especialmente cuando se aplica a materiales tratados trmicamente en los cuales la estructura se distorsiona.

Se han hecho intentos de determinar los esfuerzos residuales en los metales mediante la medicin de propiedades sensibles a los esfuerzos. Las tcnicas propuestas de medicin de esfuerzos incluyen los mtodos ultrasnicos y el de dureza.


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Las tcnicas ultrasnicas pueden utilizar las ondas ultrasnicas polarizadas y hacer uso del cambio inducido por esfuerzos en el ngulo de polarizacin de las ondas ultrasnicas polarizadas (de forma semejante a las tcnicas fotoelsticas) o hacer uso de los cambios inducidos por esfuerzos en la absorcin de ondas ultrasnicas, es decir, atenuacin ultrasnica. Ninguna de estas tcnicas ha sido desarrollada ms all de la etapa de laboratorio y ninguna ha sido utilizada con xito para la medicin de esfuerzos residuales en las construcciones soldadas. Se han desarrollado tcnicas para el estudio de los esfuerzos residuales observando las grietas producidas por estos en las muestras. Las grietas pueden ser inducidas por el hidrgeno o por el esfuerzo de corrosin (stress-corrosin). Las tcnicas por agrietamiento son tiles para el estudio de los esfuerzos residuales en modelos de estructuras complejas los cuales tienen una distribucin complicada de esfuerzos residuales.

Mtodos para el alivio de tensiones residuales en la soldadura

Generalmente, los mtodos para el alivio de tensiones residuales se pueden clasificar en dos grandes grupos:

1. Por va trmica

2. Por va mecnica

1. Alivio de tensiones por va trmica

Este tratamiento, ampliamente utilizado en la industria, consiste en calentar los conjuntos soldados hasta una temperatura inferior a la de transformacin y mantenerlos en ella un tiempo suficientemente largo como para que se uniforme en toda la pieza y puedan efectuarse los re-acomodamientos dimensionales necesarios para establecer el estado de equilibrio a los nuevos valores de la tensin de fluencia correspondiente a dicha temperatura.

Las temperaturas empleadas para el tratamiento trmico de alivio de tensiones, son normalmente de alrededor de 600 C para los aceros estructurales comunes y pueden llegar a 700/750 C en aceros de alta aleacin a base de molibdeno (para recipientes a presin y calderas, los tiempos y temperaturas de sostenimiento los encontramos en la Seccin VIII Divisin 1 del Cdigo ASME BPV, en el prrafo UCS-56 para aceros al carbono).

En algunos materiales no resulta aconsejable la permanencia a temperaturas del orden indicado por el riego de afectar desfavorablemente su aptitud para hacer frente satisfactoriamente a las necesidades del servicio.

Tal es el caso de los aceros inoxidables, que son susceptibles a la precipitacin del cromo para formar carburos de cromo cuando son sometidos a temperaturas dentro del rango de 400-700 C, trayendo como consecuencia que aparezcan zonas cuya pasividad frente a los agentes qumicos agresivos se encuentra disminuida, adems de disminuir sus propiedades mecnicas.

Por lo anteriormente expuesto, se puede concluir que el alivio de tensiones por va trmica tiene ventajas y desventajas, porque para realizarlo hay que contar con instalaciones complejas y costosas, adems de su alto consumo de energa elctrica, estando limitado el tamao de piezas voluminosas. Hay que tener en cuenta el tipo de material para que no ocurra la fragilizacin del mismo o la corrosin intercristalina y por consiguiente una disminucin catastrfica de las propiedades mecnicas del material con el consiguiente gasto del recurso.


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2. Alivio de tensiones por va mecnica

El estabilizado por tratamiento trmico es el mtodo ms conocido, pero no el nico. En el tratamiento por horno, las temperaturas altas reducen las tensiones en el material. Este tipo de alivio de esfuerzos, aunque generalmente resulte efectivo, tiene varios defectos y limitaciones. El costo es elevado, el proceso es de larga duracin y frecuentemente da por resultado el deterioro de las propiedades de los materiales los gastos generados en cuanto a transporte, tambin son importantes. Muchas empresas de la industria metalrgica han expresado sus deseos de disponer de instalaciones para reducir esfuerzos residuales durante el proceso de fabricacin. Esto origina gastos prohibitivos y muchas veces es logsticamente imposible de conseguir si se utiliza el proceso de tratamiento trmico. El mtodo por vibracin introduce energa dentro de la pieza a estabilizar. Para la red de tomos con tensiones, no existe diferencia entre la energa trmica y la introducida por vibracin. Esta energa vuelve a alinear la estructura interna del material aliviando los esfuerzos y estabilizando la pieza sin sufrir deformaciones. El tratamiento por vibracin se puede usar para estabilizar piezas que presentan tensiones debido a procesos de mecanizado, fresado, rectificado, troquelado, escariado, estampado, perforado, cepillado, forjado y soldado.

El alivio de tensiones por va mecnica se est convirtiendo en una alternativa real y efectiva al tratamiento trmico por horno. El estabilizado por vibraciones se est utilizando en todo el mundo con resultados plenamente satisfactorios. Aplicable a una gran variedad de materiales, no tiene efectos negativos en las piezas a estabilizar. Las tolerancias de las piezas se mantienen.

El mtodo se basa en la introduccin de vibraciones de baja frecuencia y alta amplitud durante un breve perodo de tiempo basado en la pieza a estabilizar. Se ha comprobado que las vibraciones resonantes son el mtodo ms efectivo para reducir los esfuerzos residuales por medio de vibraciones. El proceso mediante frecuencias resonantes produce una redistribucin de esfuerzos ms pronunciada en comparacin con los mtodos con frecuencias sub-resonantes o subarmnicas. Las vibraciones de baja frecuencia proporcionan energa de gran amplitud y son muy eficientes en la reduccin de los picos de esfuerzos residuales en las piezas metlicas y estructuras de componentes soldados.

Para un buen estabilizado se deben de cumplir dos reglas bsicas: aislar la pieza del suelo tanto como sea posible para hacerla vibrar con libertad y aplicar de manera firme el vibrador a la pieza mediante sargentos de apriete, tornillos, etc.

El tratamiento por vibracin no es tan efectivo en materiales laminados en fro, extruidos, endurecidos por deformacin plstica, trabajados en fro y materiales endurecidos por solidificacin de una fase. No se evitarn o eliminarn deformaciones o combaduras debidas a los efectos del calor y no alisar ni enderezar piezas. Una de las ventajas ms destacadas del estabilizado por vibracin, es su capacidad para aliviar tensiones en cualquier momento de la etapa de fabricacin, como por ejemplo, despus del desbastado, el perforado o el rectificado. Para construcciones soldadas, el alivio de esfuerzos se puede realizar durante la soldadura, lo que es de gran ayuda en la prevencin de la acumulacin de esfuerzos que podran provocar la quebradura o deformacin de algunas secciones. La soldadura produce grandes cambios de temperatura en poco tiempo; si aplicamos vibracin mientras soldamos o inmediatamente despus de la soldadura, atenuamos enormemente las tensiones generadas. Si los fabricantes siguen llevando las piezas a horno porque siempre se ha hecho as, es necesario un cambio de mentalidad. El ahorro en gastos de transporte va a ser total y el acabado de las piezas va a ser el mismo.

Por: Ing. Alejandro Mondragon Canseco (Profesional, empresario, educador y CWI) BCEMPRESARIAL, Mxico DF, Mxico.


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Sobre los colaboradores de Soldadura Latinoamrica

Contamos con un grupo de expertos que se han sumado a nuestro proyecto, los cuales participan con un artculo mensual acorde al tema principal de cada edicin. Dichos profesionales son Profesores de las ms prestigiosas universidades de Bolivia, Mxico, Argentina, Cuba, Per, Chile, Brasil, Venezuela, Espaa y Colombia especializados en materiales, metalurgia y soldadura.

Nuestro sincero agradecimiento a ellos ya que por su apoyo este proyecto es una realidad.

Esperamos poder contar por lo menos con un profesional colaborador de cada nacin hispanoamericana.

Escuela Virtual Soldadura Latinoamrica

Toda la informacin relacionada con los cursos virtuales la pueden solicitar a la Sra. Ruth Jimnez (secretara escuela) al correo: [email protected]

Recomendaciones

Para garantizar la entrega de nuestros mensajes, aada [email protected] [email protected] [email protected] a su libreta de direcciones o lista de contactos.

Si aun no esta suscrito a nuestro boletn, visite www.soldaduralatinoamerica.tk

El tema de nuestra prxima edicin ser: FUNDICIONES AL CARBONO, con informacin sobre tipos (clases) y su soldabilidad y Maquinabilidad.

Director.


boletin diciembre 2008 tensiones residuales

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