Tensiones Residuales en SOLDADURA
Tensiones Residuales en SOLDADURA
Tensiones Residuales en SOLDADURA
Introducción
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Figura 2. Diagrama de tensiones residuales longitudinales de una unión soldada
Las tensiones de origen mecánico pueden darse por ejemplo, durante el amolado
donde se producen tensiones en una delgada capa próxima a la superficie (ver
Figura 3). Otro ejemplo de tensiones generadas por trabajado mecánico es el de un
material laminado; en este caso las fibras exteriores del material tenderán a
alargarse, siendo restringidas en su desplazamiento por las fibras más internas; se
producirá en consecuencia, un estado de tracción en el centro del material, y de
compresión en la superficie (Figura 4).
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Figura 4. Tensiones mecánicas originadas por el laminado
Velocidad de calentamiento
Temperatura máxima
Tiempo a temperatura máxima
Velocidad de enfriamiento
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En la Figura 5 se presenta el esquema de tensiones longitudinales y transversales
en una chapa soldada a tope con solicitación bidimensional. Durante la fabricación
de componentes soldados, además de las tensiones residuales inherentes o de
autoembridamiento, aparecen tensiones de reacción debidas al embridamiento
externo, sumándose ambos efectos. Las tensiones de reacción tienen como
característica que se liberan completamente cuando desaparecen los vínculos, en
cambio las inherentes solo se alivian mediante una relajación térmica o mecánica.
En la Figura 5c se indica la solicitación resultante (curva 2) de superponer a la
distribución de tensiones de autoembridamiento (curva 1) con la debida a una
restricción externa transversal.
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laterales genera una tensión de tracción (elástica) que aumenta linealmente como lo
muestra la parte CD de la curva. Finalmente al alcanzarse el punto D, la tensión de
tracción es lo suficientemente alta para producir la deformación plástica en tracción
del material, que fluye plásticamente hasta alcanzar el punto E que culmina el ciclo.
Puede verse que como consecuencia del ciclo térmico experimentado por la barra
central, se generó una tensión residual de tracción en la misma y por lo tanto
tensiones residuales de compresión equilibrantes en las barras laterales.
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temperatura ambiente, presentando elevadas tensiones de tracción en las regiones
cercanas al cordón, que se equilibran con las siguientes sometidas a compresión.
Restricción externa
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Material
Geometría de la pieza
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Efecto de la longitud
El efecto del ancho de la pieza sobre la distribución de las tensiones residuales será
despreciable, siempre que esa dimensión sea varias veces mayor que la extensión
de la zona afectada por tensiones.
Las tensiones residuales en la dirección del espesor pueden llegar a ser importantes
a partir de los 20 -25 mm. En la Figura 10 se presenta la distribución de tensiones en
la dirección del espesor, correspondiente a una junta a tope realizada en acero al
carbono de 25 mm de espesor. Las tensiones longitudinales y transversales
resultaron de tracción cerca de ambas superficies y de compresión en el centro,
mientras las normales fueron de compresión en el centro y nulas en ambas
superficies.
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Figura 10. Distribución de tensiones en la dirección del espesor, correspondiente a
una junta a tope de 25 mm de espesor
Soluciones
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Ductilidad: cuando una pieza soldada, por sus condiciones metalúrgicas o
geométricas, o por su grado de embridamiento externo posee poca capacidad para
fluir sin aumentar la tensión de fluencia.
Soluciones preventivas
Figura 11. Alivio de tensiones por vía mecánica en una chapa soldada a tope
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El martillado es usado algunas veces para reducir tensiones y distorsiones en las
capas intermedias de soldadura, los códigos prohíben el uso de estas técnicas en la
primera y última capa. La aplicación en la primera capa puede recubrir fisuras o
hacer que estas avancen en la soldadura. Para el caso de la última capa, se
considera que tal trabajo en frío puede reducir la tenacidad del metal de soldadura,
ya que en este caso no hay una posterior aplicación de calor que permita un
recocido. El martillado ofrece efectos favorables ya que induce tracciones de
compresión que contrarrestan a las residuales de tracción en la zona del cordón.
Otro método mecánico utilizado para lograr la reducción de tensiones residuales es
el alivio de tensiones por vibración. Consiste en producir vibraciones de baja y alta
frecuencia; se usa un generador de onda oscilante que se acopla a la pieza a tratar.
El objetivo es conseguir que la zona afectada por las tensiones entre en fluencia
plástica, lo cual puede ser dificultoso en el caso de formas complejas de la
estructura; sin embargo; como la parte afectada puede ser bastante localizada y
tener un límite de tensión cercano o coincidente con el de fluencia antes del
tratamiento, es posible que las vibraciones reduzcan la magnitud de los picos de
tensión mejorando la resistencia a la fractura frágil y reduciendo las distorsión que
podría producirse durante un posterior maquinado. Este método de alivio de
tensiones no cambia la estructura metalúrgica de la soldadura o de la ZAC y por lo
tanto no afecta las propiedades mecánicas.
Los tratamientos térmicos post soldadura de relevado de tensiones consisten en un
calentamiento uniforme de la estructura a temperatura adecuada y el mantenimiento
a esa temperatura por cierto tiempo predeterminado, seguido de un enfriamiento
uniforme. El porcentaje de alivio de tensiones residuales depende de la composición,
geometría y propiedades mecánicas del material, fundamentalmente de la variación
de la tensión de fluencia con la temperatura. En la Figura 12 se observa la influencia
de las variables temperatura y tiempo sobre el alivio de tensiones. El tratamiento
térmico de alivio de tensiones puede afectar la microestructura, pudiendo modificar
las propiedades del material. En ciertos casos tales modificaciones pueden ser
perjudiciales, por consiguiente será necesario seleccionar una temperatura que
posibilite obtener propiedades deseables, y al mismo tiempo proveer el máximo
alivio de tensiones.
La temperatura empleada depende del tipo de material; en el caso de aceros
estructurales comunes oscila en los 600°C, mientras que para los aceros de base
Mb resulta entre 700 y 750°C. En algunos materiales no resulta aconsejable la
permanencia a temperaturas del orden indicado por el riesgo de afectar
desfavorablemente su aptitud para hacer frente satisfactoriamente a las
solicitaciones en servicio. Tal es el caso de los aceros inoxidables, que son
susceptibles a la precipitación de cromo por formación de carburos de cromo cuando
son sometidos a temperaturas dentro del rango 400-700 oC, trayendo como
consecuencia la aparición de zonas cuya pasividad frente a los agentes químicos
agresivos se encuentra disminuida, además de disminuir sus propiedades
mecánicas.
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Figura 12. Influencia de las variables temperatura y tiempo sobre el alivio de
tensiones
Deformación en soldadura
El ciclo térmico no uniforme a que son sometidos el metal de aporte y el metal base
adyacente durante un proceso de soldadura conduce, como se ha visto, a un estado
de tensión transitorio; parte de dichas tensiones se relajan durante el ciclo
resultando un estado final de tensiones residuales y una deformación permanente de
la pieza. Al igual que el nivel de tensiones residuales; el grado de deformación
depende entre otras variables, de las propiedades del material. Tienen particular
influencia la conductividad térmica y el coeficiente de expansión.
La menor resistencia de un material conduce también a mayores deformaciones
(Figura 8). Las variables del procedimiento de soldadura, el grado de restricción de
la pieza o estructura durante la fabricación y su estado de tensión previo (por
ejemplo originado durante el conformado) son otros factores de importancia.
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Figura 13. Deformaciones resultantes en una unión soldada
Contracción transversal
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Deformación angular
Contracción longitudinal
Diseño
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SI
NO
Procedimiento de soldadura
Tipo de junta
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Técnicas de fisuración
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Figura 18. Método de la película de Rayos X
Técnicas ultrasónicas
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Cuando una onda ultrasónica polarizada pasa a través de un metal tensionado, el
ángulo de polarización cambia proporcionalmente al nivel de tensión. Este fenómeno
fue denominado acústico elástico. En la técnica de atenuación ultrasónica, la tensión
residual es determinada a través del cambio en la absorción de la energía
vibracional.
Técnicas de dureza
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