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




Partes: 1, 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.

A-1  Relajación de tensio-

        nes utilizando defór-

        metros  mecánicos y

        galgas eléctricas.     

Aplicable principalmente a chapas

1.   Técnica de seccionado utilizando resistencias eléctricas strain gauges.

2.   Técnica de Gunnert

3.   Técnica de barrenado de

     Mathar-Soete

4.   Técnica de fresado        sucesivo de Stablein

 

Aplicable principalmente  a

Cilindros sólidos y tubos

5.   Técnica de maquinado su- cesivo de Heyn-Bauer

6.   Técnica de trepanación de Mesnager-Sachs

 

Aplicable principalmente a

sólidos tridimensionales

7.   Técnica de barrenado de

Gunnert

8.   Técnica de seccionado de

     Rosenthal-Norton

A-2  Relajación de tensio-

        nes utilizando apara-

        tos diferentes a los

        anteriores.     

 

9.   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-x

13. Técnica de difractómetro

       de rayos-x.

C Utilización de propieda-

    des sensibles a los

    esfuerzos.

  

Técnicas ultrasónicas

14. Técnicas de ondas ultra-

       sónicas polarizadas

15. Técnica de atenuación

       Ultrasónica

 

 

16.  Técnica de durezas

D Técnica de agrieta-      mientos.

 

 

17. Técnica de agrietamiento

       Hidrógeno-inducido

18. Técnica de agrietamiento

       Esfuerzo-corrosión.

 

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

 


Partes: 1, 2


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