Tensiones Residuales en la Soldadura. Métodos para su Atenuación (página 2)

Desarrollo

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.
Para dar una idea del mecanismo de formación de las
tensiones residuales en la soldadura se requiere determinados
conceptos básicos:

La  Soldadura: implica la
aplicación de calor
altamente localizado en metales 
que  responden  a  la  ley física de
expansión contracción, capaces de afectar su
estructura y
en condiciones de movimiento
restringido, de esta manera se puede afirmar que durante el
calentamiento que la soldadura impone a una pequeña
parte de  las  piezas,  el  aumento de
volumen de esta
resulta impedido por el calentamiento desigual  del metal
base y por el grado de embridamiento que tenga la misma, por lo
que el  crecimiento  de  volumen libre
será  función
directa del gradiente de temperatura   
"DT"   y  del 
coeficiente "a" de 
dilatación  del  material  calentado,
coincidiendo con lo planteado por Masubuchi K, Glizmanenko,
Guliaev y otros.

Otro concepto a
explicar es que la  tensión térmica de
compresión resultante corresponderá a aquella
que  produce  una  reducción 
de  volumen  equivalente  a  la 
acción de impedimento  de 
movimiento. Cuando la máxima temperatura alcanzada, no
exceda de cierto valor, dicha
tensión se encontrará en el campo elástico
y su valor será  igual al múltiplo de la
deformación especifica (DL/Lo)
por él modulo de elasticidad
del material.

    En  el  caso  de una
unión soldada, en la zona de influencia térmica
(ZIT),  donde  se  supera el valor de
temperatura del campo elástico, la tensión de
compresión tiende a superar la de fluencia a esa
temperatura, pero  en  ningún momento lo
logra. El proceso
inverso ocurre durante el enfriamiento en condiciones de
movimiento restringido, las zonas  que  se 
vieron  durante  la  deformación 
plástica  en caliente,  resultan  
cortas   para  ocupar  los 
nuevos  espacios  alcanzados  y aparecen 
entonces,  tensiones térmicas de tracción.
Al  alcanzarse  la  temperatura  ambiente
 habrán quedado  tensiones 
térmicas  permanentes de tracción cuyo valor
es del orden del limite de fluencia del material.

Para que se pueda comprender el fenómeno anterior
se explica un clásico sistema de tres
barras utilizado por Masubushi K, el cual de una forma
elemental explica las variaciones que se producen en una barra
central. Figura 1.1.

Al  calentar  exclusivamente  la 
barra  central  aparecen  tensiones de
compresión en la misma, pues su dilatación
está  restringida por dos  barras 
laterales,  tal  como  muestra 
la curva A-B, alcanzando el límite de fluencia del metal
de la barra en el punto "B" (para este caso 170
oC).  Las tensiones de compresión en la
barra decrecen siguiendo la variación  del 
límite  de  fluencia  del 
metal  con  las  temperaturas  crecientes,
lo que se muestra en el tramo de curva B-C. Alcanzada 
la  temperatura máxima de
»600 oC correspondiente al
punto "C"  comienza  el  enfriamiento de la
barra, las tensiones de compresión
decaerán   rápidamente  y 
la  tensión  cambia de signo hasta alcanzar el
punto "D" correspondiente a la tensión de fluencia,
posteriores decrecimientos de la temperatura hacen que las
tensiones de  tracción  sobre  la 
barra  se mantengan permanentemente iguales al valor 
del  límite  de  fluencia a cada
temperatura. De esta forma habrá  quedado 
sometida  a una tensión residual de tracción
igual al límite de fluencia del metal a temperatura
ambiente. Para mantener la condición de equilibrio
las tensiones  en las barras laterales serán de
compresión y su valor será la mitad que la
tensión en la barra central.

Figura 1.1. Historia de las tensiones
y temperaturas para la barra central en el sistema de las tres
barras.

La  línea  E? B?  indica, que
tensiones residuales iguales al límite de fluencia
se  producirá calentando  la  barra 
central  a  cualquier temperatura que exceda 315
oC.

Por  lo que se concluye que cualquier 
proceso  que  aporte  calor en forma localizada
sobre una pieza  de  acero y de
tal manera que a la temperatura final se produzcan
deformaciones  plásticas,  dejará 
en dicha pieza tensiones residuales de valor 
generalmente  igual  o  muy 
próximo  al  límite  de fluencia
del  material a temperatura ambiente.

Cuando se unen dos o más piezas mediante un
cordón de soldadura ocurren fenómenos similares a
los explicados mediante el clásico sistema de las tres
barras, donde coincide el cordón con la barra central y
el metal base con las barras laterales.

El curso de los acontecimientos térmicos y
movimientos de expansión contracción se puede
dividir en 4 secciones lo cual Masubushi K. analiza, 
según la Figura 1.2. 

A  continuación se explica (sobre la base de
lo planteado por Masubushi K.) el  curso de
acontecimientos térmicos y movimientos  de 
expansión contracción cuando  se
efectúa  un cordón de soldadura sobre una
chapa lo cual se puede dividir en 4 secciones, como muestra la
Figura No.1.2.

Figura 1.2. Estados transitorios y finales durante la
soldadura.

 La sección A-A.

Ubicada  delante  de  fuente de calor
todavía  no  ha  experimentado 
perturbación  alguna  como  consecuencia
del arco situado en "B", por lo tanto su temperatura
será  la inicial "T0" y la pieza se
encuentra  libre de tensiones residuales atribuibles a ese
arco.

   La sección B-B.

Ubicada  en  el centro del arco experimenta un
súbito crecimiento de temperatura  hasta alcanzar
el valor máximo, se produce la elevación de
temperatura de las zonas adyacentes.

Este  aumento  de  temperatura 
provoca  la  dilatación  de  las
masas y consecuentemente   aparecen  
tensiones  de  compresión  en 
las  zonas  adyacentes al metal fundido.

En  las zonas mas alejadas y frías,
responsables de embridamiento de las zonas  que se
expanden aparecen tensiones de tracción para mantener el
equilibrio  de  tensiones  de  la 
pieza.  El  metal  fundido  carece de
resistencia
mecánica, por lo que en el centro de la
soldadura la tensión tendrá  valor
cero.

   La sección C-C.

Estará enfriándose después de haber
sido transitada por el arco en razón  de 
la  conductividad  térmica del metal, tan
pronto como pase el arco  comenzará la
evacuación del calor hacia el resto de  la pieza
con lo que descenderá   la 
temperatura  de  la  zona  calentada
por  este. En lo que respecta  al  estado 
de  tensiones  se observa  que  al 
enfriarse las zonas dilatadas  en  condición
de embridamiento, surgen  tensiones de tracción
en  la  zona  de  soldadura y en la zona
afectada por el calor. En zonas alejadas aparecen tensiones de
compresión para que se cumpla la condición de
equilibrio.

   La sección D-D.

Suficientemente  alejada del arco como para que se
haya producido el enfriamiento  total,  se
encontrará  nuevamente la temperatura inicial de
la  pieza, las tensiones tendrán su valor
máximo final que corresponde al estado permanente
definitivo de las tensiones residuales.

Es  importante  señalar,  que
durante los estados transitorios, como en la
condición   final,  deberán 
satisfacerse  las  condiciones 
clásicas  de  equilibrio de las fuerzas y
momentos totales actuantes, es decir, que la sumatoria  de
las fuerzas residuales es nula, lo que implica ausencia de
traslación y rotación.

Las tensiones residuales surgen tanto en el plano
perpendicular como en  el  longitudinal, 
siendo  esta  ultima  de mayor magnitud,
además  a medida  que  nos 
alejamos  de  la  línea  de 
fusión de soldadura ambas disminuye,
como  muestra la figura No. 1.3

Figura 1.3: Relación entre las tensiones
residuales y la distancia  a la línea de
fusión.

Según  estudios  realizados por Toprac
A. la secuencia  de soldadura tiene un efecto  poco
significativo en las tensiones residuales, pero si influyen en
mayor magnitud en las distorsiones, lo cual no coincide con el
autor de este trabajo, no
se puede ver por separado las deformaciones y tensiones como se
muestra a continuación:

-         
Las  tensiones (s),
usualmente  expresada en carga de fuerza por
área se calculan:

-         
 

 
[15]          
donde:

                         
P= fuerza de tracción total, N

                         
A= área de la sección transversal,
m2      
                                                                

                         
s= MPa

-Las deformaciones(e) 
ocurren  cuando  se aplican cargas y la pieza
varía su longitud inicial.

              
                      donde:

               
                    DL=
variación de longitud, mm

                                   
Lo = longitud inicial, mm

                                    
e  = unitario

En los análisis de tensiones se acostumbra
asumir que el material es puramente elástico, 
homogéneo e  isotópico  (las
propiedades del material  son las mismas en todas las
direcciones) de acuerdo con la ley de Hooke por lo que las
deformaciones y tensiones son proporcionales como
muestra:

donde: E= modulo de elasticidad longitudinal (en
tensión) o módulo de Young, MPa

           
u= coeficiente de Poisson.

Quedando de esta forma demostrado que la tensión
residual va a ser proporcional a la deformación del
material y viceversa, al igual que lo plantean Glizmanenko y
Masubuchi.

Se debe agregar  que  los parámetros que
afectan las tensiones  residuales son el calor aportado o
heat input, geometría de la  pieza, 
grado  de  embridamiento  y  el 
límite  de  elasticidad longitudinal  del
material.

El heat input es igual a la potencia de
la fuente dividido por la velocidad de
soldadura:

                                 
donde:         P=
V* I* hen
J/seg.

                                            
V= mm/s

                                            
H= J/mm

Este parámetro tiene una gran influencia en las
tensiones residuales como  muestra la figura No.1.4,
donde

varía la corriente de soldadura "I " por
consiguiente varía el heat input "H" .

Figura: 1.4 Relación entre la corriente de
soldadura y las tensiones residuales.

La  variación  de  las 
tensiones  residuales  del espesor de piezas
normales  es  insignificante,  en chapas con
espesores menores de 25 mm, pero  pueden  ser
considerables en chapas 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 la producen:

1. Las producidas por diferencias
estructurales.

2. Las  producidas  por  una desigual
distribución de las tensiones
no-elásticas, incluyendo las tensiones plásticas
y térmicas.

Factores que contribuyen a las tensiones
residuales:

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 al igual que en este trabajo por lo que es
considerar sus consecuencias nocivas

    Las  tensiones residuales afectan
en forma significativa a fenómenos que suceden a bajos
niveles de aplicación 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, pieza y en ocasiones plantas
completas como por ejemplo se puede mencionar:

Lo ocurrido  en  la  Electric Power
Research Institute, Palo Alto,  California 
donde  realmente  un  uso  inadecuado de la
soldadura ocasionó graves consecuencias en una planta
generadora de 500 MW .

Una  gotera o escape en un tubo que contenía
una alteración en el metal de  la soldadura, 
se destruye en dos días ocasionando un gasto de $1
millón de dólares, un escape en un cabezal de la
caldera ocasionó un gasto de $1 millón de
dólares, la catastrófica destrucción con
la pérdida de la potencia costo poco
más de $100 millones de dólares.

Este ejemplo da una valoración de la importancia
del 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 las tensiones residuales en los metales.

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

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 campo de
aplicación y utilizan diferentes elementos sensibles
para la medición como muestra la tabla 1.1.

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 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.

Tabla1.1.- Clasificación de las técnicas
para la medición de tensiones residuales.

Sin embargo, estas técnicas por rayos-x tienen
varias desventajas. Primero, son procesos mas
bien lentos. En cada punto de medición debe hacerse esta
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 mas 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
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.

En el presente trabajo se propone la utilización
del grupo de
técnica de relajación de tensiones
(stress-relaxation)  utilizando  galgas 
extensométricas,  que más adelante se
explica.

Una vez que son medidas estas tensiones residuales es
necesario referir los métodos comúnmente
utilizados para eliminarlas y no ser víctimas de sus
consecuencias nocivas.

Métodos para el
alivio de las tensiones residuales en la
soldadura.

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

A)….Por vía térmica

B)….Por vía mecánica

A. 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  oC para los aceros
estructurales comunes y pueden llegar a 700/750 
oC en aceros de alta aleación a base de
molibdeno.

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 del servicio.

Tal es el caso de los aceros inoxidables, [Ref. 13], que
son susceptibles a la precipitación de cromo para formar
carburos de cromo cuando son sometidos a temperaturas dentro
del rango 400-700  oC, trayendo como
consecuencia que aparezca 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 electrica, 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
mecánica del material con el consiguiente
gasto del recurso.

 Existen en la actualidad importantes firmas
extranjeras como lo es la Mannings Thermal & Environmental
Engineers  Inglesa que esta especializada en todo tipo de
tratamiento térmico volumétrico con el uso de
hornos de hasta 50 toneladas de capacidad capaz de alcanzar
temperaturas de hasta 1100 oC, junto con una
variedad de pequeños hornos y estufas, además
utilizan para los tratamientos térmicos localizados
elementos de calentamiento flexible de muy fácil
aplicación. Recomiendan para el tratamiento
térmico ?in sittu? de grandes recipientes cuyo transporte
no es practico el uso de quemadores de gas y de
equipos de combustión de alta velocidad los cuales
son encendidos dentro del recipiente con aislamiento exterior
convirtiéndose en su propio horno,  pero que en
condiciones de difícil acceso, alta humedad del
ambiente, estructuras de gran tamaño, tuberías,
poco tiempo y necesidad de ahorrar energía
eléctrica no compiten con el método
de explosión.

B. Alivio de tensiones por vía
mecánica.

Este método es realizable cuando la pieza posee
una suficiente reserva de ductilidad, es decir, exhibe
capacidad de estirarse plásticamente. Dicho de otra
forma [Ref.19] durante la descarga, en metales que se comportan
de una manera puramente elástica, siempre si han tenido
una deformación plástica.

Ocurre una redistribución de las tensiones
residuales al aplicar y remover tensiones externas como muestra
la figura No.1.5 para una chapa soldada a tope.

Figura: 1.5 Relación entre la corriente de
soldadura y las tensiones residuales.

Curva 0: tensiones residuales después de
soldar.

Curva 1: distribución de tensiones residuales al
aplicar cargas que provocan tensiones de valor
s1.

Curva 2: ídem para
s2>s1.

Curva 3: ídem para 
s3=sF.

Curva 1: distribución de tensiones
aplicando s2 y luego liberando
esta.

Curva 2: ídem para
s2.

Es apreciable la disminución del nivel de
tensiones residuales que se logra por este
método.

También queda de manifiesto que en la prueba
hidráulica  que se practica  en la
recepción de recipientes sometidos a presión
interior tiene, indudablemente el efecto de un alivio de
tensiones por vía mecánica.

Este método de alivio de tensiones es aplicable a
conjuntos de dimensiones reducidos quedando limitado el
tamaño de las piezas a tratar por la capacidad
dimensional y de fuerza, disponible en los dispositivos de
estiramiento.

Martillado de los cordones de
soldadura.

Este método consiste en golpear cada cordón
con una maza pesada y golpes lentos, el empleo de
una maza liviana y golpes rápidos endurece la superficie
del metal, ya que no se logran deformaciones profundas, sino
que fragiliza la cascara del metal sin aliviar la
tensión. En esencia, desde que la soldadura se halla en
estado de tracción, si el metal es desplazado
plásticamente en dirección del espesor fluirá en el
plano perpendicular con lo que se producirá un efectivo
alivio de las tensiones longitudinales y
transversales.

A pesar de su sencillez y efectividad no resulta un
método de producción recomendable por la
imposibilidad de cuantificar sus resultados y de asegurar la
uniformidad y repetibilidad de los mismos siendo por lo tanto
de muy dificultoso control.

Aplicación de
vibraciones.

Este método consiste en hacer vibrar la pieza
mediante un vibrador de velocidad variable, provisto de un
amplificador electrónico.

Haciendo variar la velocidad puede alcanzarse la
frecuencia de resonancia la que se mantiene un periodo de
tiempo relacionado con el peso del elemento a tratar, el cual,
usualmente varia entre 10 y 30 minutos.

La reducción es en función del numero de
ciclos de tensiones impuestos,  la mejor reducción
ocurre en el 1er ciclo, algunas nuevas reducciones
tienen lugar en algunos cientos de ciclos y una relativa
pequeña reducción ocurre con un largo numero de
ciclos, debido a que ocurren cambios no metalúrgicos y
se forman grietas de fatiga.

Existe, lamentablemente, un total  desconocimiento
científico acerca de como trabaja. Se cree que la
energía vibratoria introducida en la pieza reorganiza la
estructura de la red cristalina con lo que
alivia la tensión.

La efectividad del método de alivio de tensiones
por vibración puede ser diferente en vibraciones en
metales suaves que en metales endurecidos.

Para una exitosa aplicación industrial  de
este método se requieren otras exigencias:

1.    Una
relativa simple geometría y la aplicación de
múltiples modos de vibración son necesarios tener
en cuenta todas las áreas de la estructura para una alta
amplitud vibracional. El uso de estrategias
adicionales localizadas dificulta la
operación.

2.    Grandes
amplitudes de vibración con tensiones en el orden de los
limites de fatiga del material deben aparecer para un mejor
porciento de relajación de las tensiones
residuales.

3.    El
material debe ser del tipo que sea susceptible a la
relajación de tensiones por vibración.

En determinadas circunstancias puede que no se logre la
eliminación total de las tensiones por este
método, pero si de forma parcial por lo que
representaría una alternativa conveniente.

El alivio de tensiones residuales por medio de
vibraciones no modifica la estructura metalográfica de
la soldadura ni de la ZIT, por lo que no deberán
esperare mejoramientos de las propiedades mecánicas de
estas con esta técnica.

En muchas ocasiones no se puede aplicar esta
técnica por no cumplir las exigencias para su
aplicación. Las estructuras pueden ser complicadas e
irregulares y complican la aplicación del método,
piezas pequeñas y de poco volumen se prestan para el uso
de este método. Con el incremento de la complejidad de
las estructuras la aplicación del alivio  de
tensiones por  vibración se dificulta o
imposibilitan.

Los métodos que se describieron brevemente
muestran, que para condiciones donde predominen estructuras de
gran tamaño y complejidad, la utilización de los
mismos esta limitada o se dificulta, por lo que el autor del
presente trabajo propone la utilización del
método por explosión, como alternativa para estos
casos. 

Alivio por explosión.

El uso de sustancias explosivas para el tratamiento de
cordones de soldadura por explosión es uno de los
métodos de mayor  perspectiva para el mejoramiento
de las propiedades de las uniones soldadas, debido a la gran
capacidad energética, la posibilidad de obtener gran
potencia, la sencillez y lo económico de la
operación. Numerosos autores coinciden con la
efectividad del método entre ellos Petushkof, B. G.,
Kudinov, B. M., Berezina, N. Y., Trufiakov, B. M. Y otros
.

Los cuales destacan sus ventajas técnicas y
económicas, el cual consiste en someter localmente la
zona de soldadura a la acción directa de la
detonación de una  carga explosiva, lo cual
garantiza la formación de un frente lineal de
detonación (3), perpendicular al eje lineal de la carga.
Durante esto en el material de la chapa se provoca, en
ángulo con su superficie una onda de choque de
compresión (4), con velocidad de masa, cuya
dirección coincide con el movimiento del frente de la
onda de choque. Señalando que el ángulo de este
frente con respecto a la superficie de la chapa, y
también su posición con respecto al frente de
detonación lo determina la relación 
D/C (donde C- es la velocidad de la onda
expansiva en el material y D- es la velocidad de
detonación de la sustancia explosiva).  Figura
1.6.

Figura 1.6. Esquema de colocación de la Sustancia
Explosiva (2) en una chapa (1) de espesor (S)

Esto permite la entrada en movimiento longitudinal del
material en todo el espesor de la chapa siempre que esta no sea
muy gruesa. El efecto de mejorar las propiedades de las uniones
soldadas se basa en que la onda de choque de compresión,
la cual surge como resultado de la detonación de la
carga explosiva colocada sobre la zona afectada
térmicamente, provoca deformaciones plásticas
locales del metal que llevan a la formación en las capas
superficiales de recalcado y tensiones residuales de
compresión. Además, bajo la acción de la
carga explosiva, cambia el campo de las tensiones residuales en
un volumen comparativamente grande de la unión
soldada.

Esta demostrado que la deformación de alargamiento
creada en la dirección  de la detonación, lo
cual es una de las principales particularidades de este
método, queda determinado por las componentes
longitudinales de la velocidad de masa detrás del frente
de la onda de choque en el material, las cuales a su vez
dependen de la potencia y geometría de la carga de
sustancia explosiva.

Los explosivos utilizados con mayor frecuencia son el
HMX, PETN, TNT,  los que permiten una velocidad de
explosión en el rango de 6000 a 9000 m/s.

Es necesario señalar la influencia de la densidad de
carga de la sustancia explosiva, ya que con densidades de carga
mayor e igual a 1,6 g/cm3
 el material se achata debido a que el explosivo tiene
propiedades altamente rompedoras, se recomiendan densidades de
carga igual a 0,5 g/cm3. La
intensidad de la onda de choque que se logra con esta densidad
de carga es capaz de provocar una redistribución
significativa de las tensiones residuales.

Lo anterior coincide con el trabajo
publicado en la Welding Journal No. 12 del 1992 , que utilizan
densidades de cargado similares para los experimentos,
además de proponer el uso de materiales buffer para
evitar achamientos significativos del material, lo cual no
entra en contradicción a los trabajos realizados por los
investigadores rusos.

El campo de aplicación de los tratamientos con
carga explosiva para el alivio de las tensiones residuales no
solo esta limitado a los materiales ferrosos, sino que como se
plantean en otros trabajos , pueden aplicarse en las aleaciones
de aluminio,
aumentando las posibilidades de utilización del
método. Los modelos utilizados fueron diversos por su
grado de aleación y por su espesor demostrando sus
posibilidades y en todos los casos mejoraron las propiedades
mecánicas de la unión a un bajo costo y una alta
productividad.

En el trabajo realizado por Petushkov, B. G.,  se
realizaron importantes experimentos con el objetivo de
demostrar las posibilidades del alivio de las tensiones
residuales con explosivos, utilizando probetas de gran
tamaño con uniones a tope (500x250x12mm) de acero 14G2,
soldadas con SAS empleando varilla CB-08GA  Ø 5mm y
con fúndente AN-348-A. Las tensiones longitudinales se
midieron en la zona transversal al eje de simetría de la
probeta con ultrasonido y con tenso-sensores. El
resultado de comparación de las mediciones iniciales con
las finales evidencia la efectividad del
método.

A pesar que en el trabajo realizado por Schmidt, C. G. ,
las dimensiones de la probeta fueron menores (305x76x12,5mm)
y  el proceso de soldadura utilizado SMAW con electrodos
E-7018 Ø 3mm, las mediciones iniciales comparada con las
finales comprobó la efectividad del
método.

Ambos trabajos hechos en diferentes lugares y fecha
demostraron la efectividad del método de tratamiento con
explosivo para la eliminación ya sean total o parciales
de las tensiones residuales.

La colocación de dicha carga es a lo largo del eje
longitudinal de la soldadura o paralelo al mismo y puede
realizarse de diversas maneras o esquemas, entre ellas se
pueden indicar las siguientes: utilizando un cordón
detonante colocado en forma sinusoidal, triangular,
trapezoidal, etc.; cordón detonante longitudinal
(uno o varios); carga en forma de tira o cinta; carga
cilíndrica a lo largo del eje de la soldadura
(una o varias). La utilización de
uno u otro esquema va a estar determinado por la experiencia
practica de la utilización del explosivo.

La utilización de uno u otro esquema va a estar
determinado por la experiencia practica de la
utilización del explosivo. En la literatura
consultada se hace mucho énfasis en la
utilización del cordón detonante en forma de
sinusoide, esto esta dado por los resultados experimentales
obtenidos, por la fácil manipulación del mismo y
por el aumento significativo de la disminución de las
tensiones residuales por unidad de masa de la carga
explosiva.

Existe una gran variedad de formas de aplicación
del explosivo ya sea con cordones detonantes o con explosivos
plásticos utilizando diferentes tipos de
materiales buffer, algunos coinciden con los propuestos por la
literatura rusa y otros son originalmente concebidos para
obtener un mejor aprovechamiento de la energía de la
detonación de la sustancia explosiva.

Es necesario destacar que la acción de la onda de
choque de compresión  producida por la
detonación, debido al efecto de presión
súbito, produce una onda de choque en el aire
circundante; este choque de compresión es el principal
efecto de destrucción de  larga distancia de las
explosiones. Si la propagación de la onda de choque es
casi esférica, el nivel de  compresión
disminuye rápidamente, y así hace que la
velocidad de la onda de choque del material; se vuelva
cero.

Cuando la onda de choque se propaga en espacio
tridimensional, su efecto de disminución es en
función de las tres distancias; ésta es la pauta
adoptada en las regulaciones de prevención de accidente
alemanas en las que las distancias de seguridad
(en metros) se calcula como: , donde M es la cantidad
máxima de explosivo (Kg.), que está presente en
el edificio en cualquier momento, considerando que f es
factor que varía, según el grado requerido de
seguridad, desde 1,5 (distancia entre dos casas fortificadas
con barricadas) a 8 (distancia de la parte no peligrosa de una
planta). El valor de f estipulado por las regulaciones
puede ser tan alto como 20 para las áreas
residenciales  en las cercanías de una de la
planta. [Ref. 18].

Conclusiones:

En este  trabajo se destacaron las
características principales de las tensiones residuales
en la soldadura, su origen, sus consecuencias nocivas, formas
de medirlas y los métodos más
utilizados.

Se realiza una breve descripción de los mismos destacando que
la aplicación del tratamiento térmico implica un
considerable consumo de energía y tiempo y que en el
grupo de los métodos de alivio mecánicos a pesar
de su diversidad están limitados por las dimensiones de
la pieza o estructura a tratar.

La aplicación de explosivos para aliviar tensiones
residuales muestra una gran perspectiva por la sencillez de su
uso así como el aprovechamiento de la energía y
del tiempo, el mismo no esta limitado por la complejidad ni las
dimensiones de la pieza o estructura, por lo que constituye una
alternativa importante dentro de los métodos que se
utilizan de forma común.

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Datos de los autores

Jorge Luis García Jacobino

Ingeniero Electro-mecánico

Maestro en Ciencias

Centro de Investigación de Soldadura

Facultad de Ingeniería Mecánica

Universidad Central de Las Villas

Santa Clara, Cuba

Macyuri Álvarez Luna

Licenciada en Economía

Maestro en Ciencias

Departamento de Economía

Facultad de Ciencias
Empresariales

Universidad Central de Las Villas

Santa Clara, Cuba

Junio 2006

Categoría: Ciencia y
Tecnología