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Tensiones Residuales

agosto 26, 2009

ORIGEN DE LAS TENSIONES RESIDUALES EN LA SOLDADURA Y SUS CONSECUENCIAS

Las tensiones residuales habitualmente son identificadas como uno de los factores que influyen en el deterioro de las construcciones soldadas. Desde hace algún tiempo, los ingenieros e investigadores se han dado a la tarea de estudiarlas para determinar sus características, así como las formas de atenuarlas o eliminarlas. Una de los principales problemas a los que se enfrenta el mundo del metal es a la acumulación de esfuerzos o tensiones que provocan la deformación y la pérdida de estabilidad dimensional. Podemos definir las tensiones residuales como cualquier esfuerzo en un cuerpo elástico 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 deformación.

Si los esfuerzos son iguales a lo largo de toda la pieza, se compensan y no hay deformación. Si el desequilibrio es demasiado grande, la pieza jamás volverá a su condición anterior. En los esfuerzos residuales hay dos componentes a tomar en cuenta: tensión y compresión. Las leyes de la Física y las Matemáticas exigen un equilibrio entre la magnitud de compresión y la de tensión. Desafortunadamente, en el trabajo con el metal, no hay un equilibrio uniforma. La meta es producir un buen componente metálico o una estructura con bajos esfuerzos residuales. Esto requiere un programa para el alivio o la reducción de estas tensiones con el fin de evitar futuros daños en el material. Un ejemplo:

En el mundo del deporte encontramos un ejemplo muy clarificador: si un deportista sufre un calambre o una distensión muscular, el primer tratamiento recomendado es un masaje; si no se lleva a cabo, ese tirón muscular puede convertirse en una fisura o ruptura de fibras en un plazo más o menos corto. Con el metal sucede lo mismo: las deformaciones internas del material pueden transformarse en microfisuras que con el paso del tiempo se traducirán en grietas en el exterior de la pieza. Para tratar de devolver a la estructura metálica interna su forma ideal, hay que introducir energía dentro del metal.

Al igual que en la práctica es imposible conseguir una estructura sin desviaciones respecto a su forma geométrica idealizada, lo que significa que las estructuras reales son imperfectas, es sumamente difícil construir estructuras que, en ausencia de toda carga exterior, se hallen libres de tensiones. El origen de estas tensiones reside en el proceso de fabricación; por ejemplo, cuando las placas o las partes de una placa se sueldan, el metal próximo a la zona de soldadura se calienta extraordinariamente, mientras que el más separado de ésta se encuentra a temperatura ambiente. Cuando termina el proceso de soldadura, la estructura completa alcanza finalmente la temperatura ambiente, de forma que la contracción 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 período que dura la construcción 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 más 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 continuación 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 tamaño.

Las distribuciones de tensiones en éstos y otros procesos de fabricación se autoequilibran de forma que no es posible apreciar reacción alguna. En otras palabras, si nos mostraran una estructura acabada, sin conocer su proceso de fabricación ni si han sido aliviadas las tensiones, no podríamos deducir de una inspección 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 posición de contestar a la pregunta siguiente: ¿Afectan las tensiones residuales a la estabilidad de la estructura?

La variación 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 tamaño, la soldadura tiene un efecto primario de tensiones en una relativa pequeña región alrededor del cordón; y no tiene cambios bruscos de tensiones en otras partes. Este efecto de la soldadura puede ser más significativo para piezas pequeñas.

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

  • Las producidas por diferencias estructurales
  • Las producidas por una desigual distribución de las tensiones no elásticas, incluyendo las tensiones plásticas y térmicas

 

FACTORES QUE CONTRIBUYEN A LAS TENSIONES RESIDUALES

 

 

PARAMETROS ESTRUCTURALES

  • GEOMETRÍA DE LA ESTRUCTURA
  • ESPESOR DE LA PLACA
  • TIPO DE JUNTA
 
 

PARÁMETROS DEL MATERIAL

  • MATERIAL DEL METAL BASE
  • MATERIAL DEL METAL DE APORTE
 

PARÁMETROS DE FABRICACIÓN

  • PROCESOS DE SOLDADURA
  • PARÁMETROS DEL PROCESO
  • PARAMETRÓS 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 análisis de la problemática por lo que hay que considerar sus consecuencias nocivas.

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

  1. Fractura frágil
  2. Fisuración por tenso-corrosión
  3. Carga crítica de piezas expuestas a colapso elástico
  4. Estabilidad dimensional después del mecanizado

 Desconocer esta influencia puede traer consecuencias fatales o daños incalculables en la utilización 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 métodos de detección y medición de las mismas.

DETECCIÓN DE LAS TENSIONES RESIDUALES

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

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

  1. Relajación de tensiones (stress-relaxation)
  2. Difracción de rayos-x
  3. Utilización de propiedades sensibles a los esfuerzos
  4. Técnica de agrietamiento

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

 En las técnicas de relajación de tensiones, los esfuerzos residuales son determinados midiendo las deformaciones elásticas liberadas. Esto ocurre cuando los esfuerzos residuales son liberados mediante el corte de la muestra en pedazos o por la extracción de un pedazo de la muestra. En la mayoría de los casos, se utilizan para medir la deformación liberada por medio de defórmetros mecánicos o galgas eléctricas. Existe una variedad de técnicas que dependen del seccionamiento de las muestras para determinar los esfuerzos residuales. Algunas técnicas se aplican principalmente a cilindros, tuberías o sólidos tridimensionales.

Las deformaciones elásticas en los metales que tienen estructuras cristalinas, pueden ser determinadas por la medición de sus parámetros reticulares utilizando técnicas de difracción por rayos-x. Puesto que el parámetro reticular de un metal en estado no tensionado es conocido o puede ser determinado de forma separada, las deformaciones elásticas en el metal pueden ser determinadas no destructivamente sin maquinar o barrenar. En la actualidad se tienen disponibles dos técnicas: la de película de rayos-x y la del difractómetro por rayos-x. Con la técnica de difracción de rayos-x, la deformación superficial puede ser determinada en un área pequeña, a una profundidad y diámetro de 0.003 mm. Las técnicas de difracción de rayos-x son las únicas técnicas 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.

Tabla 1 – Clasificación de las técnicas para la medición de tensiones residuales 

A-1 Relajación de tensiones utilizando defórmetros mecánicos y galgas eléctricas Aplicable principalmente a placas
  1. Técnica de seccionado utilizando resistencias eléctricas strain gauges
  2. Té3cnica de Gunnert
  3. Técnica de barrenado de Mathar-Soete
  4. Técnica de fresado sucesivo de Stablein
Aplicable principalmente a cilindros sólidos y tubos
  1. Técnica de maquinado sucesivo de Heyn-Bauer
  2. Técnica de trepanación de Mesnager-Sachs
Aplicable principalmente a sólidos tridimensionales
  1. Técnica de barrenado de Gunnert
  2. Técnica de seccionado de Rosenthal-Norton
A-2 Relajación de tensiones utilizando aparatos diferentes a los anteriores  
  1. Técnica utilizando sistema divisor de retícula

10.Técnica de barrenado con capa frágil

11.Técnica de barrenado con capa fotoelástica

B    Difracción por rayos-x   12.Técnica de película de rayos-x13.Técnica de difractómetro de rayos-x
C    Utilización de propiedades sensibles a los esfuerzos Técnicas ultrasónicas 14.Técnicas de ondas ultrasónicas polarizadas15.Técnicas de atenuación ultrasónica16.Técnicas de durezas
D    Técnica de agrietamientos   17.Técnica de agrietamiento por hidrógeno inducido18.Técnica de agrietamiento esfuerzo corrosión

 

Sin embargo, estas técnicas por rayos-x tienen varias desventajas. Primero, son procesos más bien lentos. En cada punto de medición debe de realizarse ésta en dos direcciones requiriendo cada una de 15 a 30 minutos de tiempo de exposición para la técnica de película. Segundo, la medición no es muy precisa., especialmente cuando se aplica a materiales tratados térmicamente en los cuales la estructura se distorsiona.

Se han hecho intentos de determinar los esfuerzos residuales en los metales mediante la medición de propiedades sensibles a los esfuerzos. Las técnicas propuestas de medición de esfuerzos incluyen los métodos ultrasónicos y el de dureza.

Las técnicas ultrasónicas pueden utilizar las ondas ultrasónicas polarizadas y hacer uso del cambio inducido por esfuerzos en el ángulo de polarización de las ondas ultrasónicas polarizadas (de forma semejante a las técnicas fotoelásticas) o hacer uso de los cambios inducidos por esfuerzos en la absorción de ondas ultrasónicas, es decir, atenuación ultrasónica. Ninguna de estas técnicas ha sido desarrollada más allá de la etapa de laboratorio y ninguna ha sido utilizada con éxito para la medición de esfuerzos residuales en las construcciones soldadas. Se han desarrollado técnicas para el estudio de los esfuerzos residuales observando las grietas producidas por estos en las muestras. Las grietas pueden ser inducidas por el hidrógeno o por el esfuerzo de corrosión (stress-corrosion). Las técnicas por agrietamiento son útiles para el estudio de los esfuerzos residuales en modelos de estructuras complejas los cuales tienen una distribución complicada de esfuerzos residuales.

 

MÉTODOS PARA EL ALIVIO DE TENSIONES RESIDUALES EN LA SOLDADURA 

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

 

  1. Por vía térmica
  2. Por vía mecánica

1.  Alivio de tensiones por vía térmica

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

Las temperaturas empleadas para el tratamiento térmico 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 aleación a base de molibdeno (para recipientes a presión y calderas, los tiempos y temperaturas de sostenimiento los encontramos en la Sección VIII División 1 del Código ASME BPV, en el párrafo 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 precipitación 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 químicos agresivos se encuentra disminuida, además de disminuir sus propiedades mecánicas.

Por lo anteriormente expuesto, se puede concluir que el alivio de tensiones por vía térmica tiene ventajas y desventajas, porque para realizarlo hay que contar con instalaciones complejas y costosas, además de su alto consumo de energía eléctrica, estando limitado el tamaño de piezas voluminosas. Hay que tener en cuenta el tipo de material para que no ocurra la fragilización del mismo o la corrosión intercristalina y por consiguiente una disminución catastrófica de las propiedades mecánicas del material con el consiguiente gasto del recurso.

1.  Alivio de tensiones por vía mecánica

El estabilizado por tratamiento térmico es el método más conocido, pero no el único. 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 duración y frecuentemente da por resultado el deterioro de las propiedades de los materiales los gastos generados en cuanto a transporte, también son importantes. Muchas empresas de la industria metalúrgica han expresado sus deseos de disponer de instalaciones para reducir esfuerzos residuales durante el proceso de fabricación. Esto origina gastos prohibitivos y muchas veces es logísticamente imposible de conseguir si se utiliza el proceso de tratamiento térmico. El método por vibración introduce energía dentro de la pieza a estabilizar. Para la red de átomos con tensiones, no existe diferencia entre la energía térmica y la introducida por vibración. Esta energía vuelve a alinear la estructura interna del material aliviando los esfuerzos y estabilizando la pieza sin sufrir deformaciones. El tratamiento por vibración 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 vía mecánica se está convirtiendo en una alternativa real y efectiva al tratamiento térmico por horno. El estabilizado por vibraciones se está 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 método se basa en la introducción de vibraciones de baja frecuencia y alta amplitud durante un breve período de tiempo basado en la pieza a estabilizar. Se ha comprobado que las vibraciones resonantes son el método más efectivo para reducir los esfuerzos residuales por medio de vibraciones. El proceso mediante frecuencias resonantes produce una redistribución de esfuerzos más pronunciada en comparación con los métodos con frecuencias subresonantes o subamónicas. Las vibraciones de baja frecuencia proporcionan energía de gran amplitud y son muy eficientes en la reducción de los picos de esfuerzos residuales en las piezas metálicas y estructuras de componentes soldados.

Para un buen estabilizado se deben de cumplir dos reglas básicas: 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 vibración no es tan efectivo en materiales laminados en frío, extruidos, endurecidos por deformación plástica, trabajados en frío y materiales endurecidos por solidificación de una fase. No se evitarán o eliminarán deformaciones o combaduras debidas a los efectos del calor y no alisará ni enderezará piezas. Una de las ventajas más destacadas del estabilizado por vibración, es su capacidad para aliviar tensiones en cualquier momento de la etapa de fabricación, como por ejemplo, después 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 prevención de la  acumulación de esfuerzos que podrían provocar la quebradura o deformación de algunas secciones. La soldadura produce grandes cambios de temperatura en poco tiempo; si aplicamos vibración mientras soldamos o inmediatamente después de la soldadura, atenuamos enormemente las tensiones generadas. Si los fabricantes siguen llevando las piezas a horno porque siempre se ha hecho así, 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.

 

Tensiones Residuales Por: Ing. Alejandro Mondragón C.


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