TENSIONES Y DEFORMACIONES POR SOLDADURA Profesor: Paul P. Lean Sifuentes
1
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Es una propiedad física de los materiales y viene a ser la
velocidad con la cual el calor fluye a través del material. Los ce cerám rámiico coss tienen muy mala co con nducti ctivida vidad d térmica, es decir, disipan con mucha dificultad el calor. Los metales, son muy buenos conductores del calor y, por tanto, se enfrían con más facilidad.
2
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Metal Me tal o alea leaci ción ón
Cond onduct uctiv ividad idad térm térmica ica a temp. amb mbient ientee (cal/cm (cal/cm 2/ C/s)
Aluminio (99.45%) Al Alluminio AA6061 A Cobre Latón rojo (15% Zn) Cupro-Níquel Níquel (99,95%) Monel Accero (0,23%C, 0,64%Mn) A Accero inoxidable (AISI 410) A Accero inoxidable (AISI 304) A Accero al manganeso (14%Mn) A
0,57 0,41 0,93 0,38 0,07 0,22 0,062 0,12 0,057 0,036 0,032
°
3
CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Cuando se suelda un metal, este recibe calor muy puntual
y luego lo transfiere (disipa) dentro del material gracias a su conductividad térmica. Si es alta, la di disipa sipación ción se será rá eleva vad da y se se prod produ ucir cirá á una disminución rápida de la temperatura en la zona caliente. Si es baja, la zona del metal caliente permanecerá asíí po as porr un pe períríod odo o de tiem empo po may ayor or y hará hará más len entto su enfriamiento. 4
EXPANSIÓN TÉRMICA La
expansión térmica es el cambio de longitud que experimenta un material cuando su temperatura es incrementada. La dilatación o expansión térmica viene expresada por la siguiente relación: = ( T) Donde: ε = elongación térmica = ΔL / Lo = (LF – LO) / LO α = coeficiente de dilatacion ΔT = incremento de temperatura = TF - TO 5
EXPANSIÓN TÉRMICA Material
Coeficiente de expansión térmica ( C-1) °
Aluminio Latón y bronce Cobre Plomo Acero Invar (Ni-Fe)
24x10-6 19x10-6 17x10-6 29x10-6 11x10-6 0,9x10-6 6
EXPANSIÓN TÉRMICA Cuanto
se dilatarán una barra, de 1 m de longitud,
fabricada de acero y aluminio, cuando se calientan desde los 20 C hasta 120 C: °
°
ΔL = α LO (TF - TO) ΔL ACERO = 1,1 mm ΔL ALUMINIO = 2,4 mm
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EXPANSIÓN TÉRMICA ACERO AISI 304
1,4
ACERO ASTM A36
1,1
ALUMINIO
2,4
COBRE
1,5
LONGITUD INICIAL
DILATACION
8
DEFORMACIÓN DEBIDA A CALENTAMIENTO LIBRE
TENSADA
Cuando el calentamiento no es uniforme y se impide la dilatación y contracción de la pieza, ésta se deformará. 9
DEFORMACIÓN DEBIDA A CALENTAMIENTO Temperatura ambiente. • Longitud original. • Tensión interna cero. •
Calentamiento. • Dilatación restringida. • Compresión interna. •
Enfriamiento. • Contracción restringida. • Tracción interna. •
Estado final. • Recalcado y estrangulamiento. • Tracción interna. •
10
DEFORMACIÓN DEBIDA A CALENTAMIENTO Esfuerzos de compresión en una barra de acero DIN St 37 de 100 mm de longitud T (ºC)
2) ( N / mm C
60
151
80
201
100
252
120
302
St 37
Si una barra es prensada en un cuerpo rígido, y es calentada uniformemente en toda su longitud, se originan tensiones de compresión a causa de la restricción de la dilatación. 11
DEFORMACIÓN DEBIDA A CALENTAMIENTO
Simulación de la deformación y tensiones residuales provocadas por un calentamiento localizado. 12
TENSIONES Y DEFORMACIONES Como
consecuencia de enfriamientos y calentamientos no uniformes se producen: Deformaciones en las piezas Tensiones internas o residuales, que permanecerán (en las piezas aún después de retirar todos los esfuerzos o cargas externas).
Si
se impide la deformación de las piezas se
producen tensiones internas, aumentando el riesgo de fallo, es decir, el riesgo de rotura de la pieza. 13
ESFUERZOS RESIDUALES Los
esfuerzos residuales son esfuerzos que están presentes en el interior del material y que permanecen en él cuando se eliminan todas las cargas aplicadas. Las tensiones residuales originadas por la soldadura se producen como consecuencia de: las dilataciones y contracciones y por los cambios dimensionales que son inducidos por las transformaciones microestructurales que se presentan. 14
ESFUERZOS RESIDUALES Los
esfuerzos residuales pueden ser macroscópicos o microscópicos . Las dilataciones producidas por el calentamiento de una plancha durante su soldadura pueden originar esfuerzos residuales macroscópicos. Las transformaciones microestructurales (como la formación de martensita en el acero) pueden dar origen a esfuerzos microscópicos. 15
ESFUERZOS RESIDUALES
compresión
tracción
16
ESFUERZOS RESIDUALES A
lo largo del cordón se forman altos esfuerzos
residuales
de
tracción,
los cuales descienden
rápidamente conforme se alejan de la soldadura hasta convertirse en esfuerzos residuales de compresión en el material base. Aquí es importante tener en cuenta dos variables:
el esfuerzo residual máximo de tracción (σmax)
el ancho de la zona traccionada(b). 17
ESFUERZOS RESIDUALES Con restricción lateral
Sin restricción
18
ESFUERZOS RESIDUALES Tensiones Tensiones longitudinales transversales
19
ESFUERZOS RESIDUALES En el caso de la soldadura de tuberías, la distribución de
las tensiones residuales es algo más compleja, las costuras circunferenciales presentan esfuerzos residuales: longitudinales, circunferenciales y momentos flectores La magnitud y sentido dependen del diámetro y espesor de pared de la tubería, del diseño de la junta soldada y del procedimiento de soldadura. 20
ESFUERZOS RESIDUALES Esfuerzos longitudinales Diámetro: 760 mm Espesor de pared: 11 mm Esfuerzos circunferenciales
SUP. EXTERIOR SUP. INTERIOR
circunferencial
SUP. EXTERIOR SUP. INTERIOR
longitudinal
Distancia del cordón de soldadura (pulg.) 21
ESFUERZOS RESIDUALES Los
esfuerzos residuales pueden disminuir considerablemente la resistencia a la tracción de las estructuras soldadas cuando estas se encuentran sometidas a determinados mecanismos de deterioro, especialmente favorecidos por la aplicación de bajos esfuerzos de carga en servicio. Son determinantes en la vida del componente soldado cuando se haya sometido a bajos esfuerzos mecánicos y a mecanismos de daño, como fractura frágil, fatiga y corrosión bajo tensión. 22
ESFUERZOS RESIDUALES En
presencia de ambientes corrosivos , los esfuerzos
residuales pueden provocar la fractura en materiales sin necesidad de que estén sometidos a cargas externas. Esto
es particularmente severo cuando los mecanismos
son corrosión bajo tensión y fragilización por hidrógeno.
23
CORROSIÓN BAJO TENSIÓN Aleación
Acero de bajo carbono Acero inoxidable (>12%Cr)
Ambiente agresivo
Nitratos, hidróxidos, sulfuro de hidrógeno Haluros, sulfuros de hidrógeno, vapor
Acero inoxidable austenítico Cloruros, hidróxidos (18%Cr-8%Ni) Cloruro de sodio, ambientes Aleación de aluminio tropicales Ácido nítrico fumante, Aleación de titanio hidrocarburos clorados 24
ESFUERZOS RESIDUALES Los esfuerzos residuales se pueden medir a través de las
siguientes técnicas: 1. Técnicas de relajación de esfuerzos 2. Difracción de rayos X 3. Técnica de ultrasonido
25
RELAJACIÓN DE ESFUERZOS Ubicación de la roseta de strain gages
Strain gage
Roseta de strain gages para medir deformaciones
26
RELAJACIÓN DE ESFUERZOS Se
basan en el hecho de que las tensiones residuales
siempre están en el rango elástico y, al provocar una relajación del material, a través de seccionamiento, taladrado, etc. del elemento, se produce una liberación de las tensiones internas que provoca una deformación, la cual puede ser medida a través de bandas extensométricas (strain gages) fijadas a la superficie del metal 27
BANDA EXTENSOMÉTRICA Son filamentos embebidos en una lámina de plástico que se adhieren a la superficie sobre la cual se quiere medir las deformaciones. Cuando se produce una deformación en el material, la longitud de los filamentos cambia y con ello su resistencia eléctrica. Entonces a través de las variaciones de la resistencia eléctrica de estos filamentos es posible medir las deformaciones de cualquier componente. 28
RELAJACIÓN DE ESFUERZOS 1. Se coloca la roseta en la superficie del componente.
2. Se coloca un posicionador de precisión de forma que se mida la correcta ubicación de una broca respecto al agujero de la roseta
29
RELAJACIÓN DE ESFUERZOS
4. Se miden las deformaciones 3. Se taladra una pequeña porción del material para provocar la liberación de las tensiones residuales a través de deformación. 30
DIFRACCIÓN DE RAYOS X Las
deformaciones elásticas en los metales pueden ser
estimadas a través de la medición de los cambios en el espaciado interatómico usando la técnica de difracción de rayos X. Se
pueden determinar deformaciones superficiales en
una pequeña área (algunos mm2). Esta
técnica es no destructiva y es posible hoy en día
realizarla en campo 31
ULTRASONIDO Es no destructivo, su aplicación es sencilla en obra y
con ausencia de medidas de seguridad durante su aplicación. Las tensiones residuales pueden ser correlacionadas con la velocidad de propagación de una onda en el interior del material. El cálculo preciso de los esfuerzos residuales es un tanto complejo y da un valor promedio de los esfuerzos existentes en el interior del material. A diferencia de la técnica de difracción de RX, el método de ultrasonidos permite conocer esfuerzos residuales en el interior. 32
ALIVIO DE TENSIONES RESIDUALES Las
tensiones internas se originan en complejas
interacciones térmicas y/o mecánicas. Por
consiguiente, los métodos de alivio de tensiones
residuales se basan justamente en:
tratamientos térmicos y/o
tratamientos mecánicos .
33
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Consisten
en calentar la unión soldada a una temperatura y a un período de tiempo determinado. Cuando es posible, todo el componente soldado es introducido en un horno y cuando no se puede, se somete sólo la unión a un calentamiento local. Se produce en él una disminución de su límite elástico; como las tensiones residuales en los cordones de soldadura (especialmente las longitudinales) pueden alcanzar valores muy cercanos a éste, el nivel de las tensiones residuales se reducirá al redistribuirse par a mantener el equilibrio de fuerzas. 34
TEMPERATURAS RECOMENDADAS A NCC
ASME
BS
DnT
Acero al C/C- 600 - 650°C Mn
> 593°C
580 -620°C
550 - 600°C
Acero C-1/2Mo 620 - 670°C
> 593°C
650 - 680°C
580 - 620°C
630 - 680°C
> 593°C
630 - 670°C
620 - 660°C
21/4 Cr - 1/2 660 - 710°C Mo
> 677°C
680 - 720°C
625 - 750°C
5Cr - 1/2 Mo
680 - 730°C
> 677°C
710 - 760°C
670 - 740°C
3 1/2 Ni
550 - 610°C
> 593°C
580 - 620°C
550 - 590°C
9 Ni
Por acuerdo
No especificado
No requerido
No especificado
1Cr -1/2 Mo
ANCC: Associazione Nazionale per el Controllo della Combustione ASME: American Society Mechanical Engineering BS: British Standard DnT: Den Norske Trykkebeholdekomite
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Temperaturas de precalentamiento mínimas recomendadas para soldadura (con bajo hidrógeno) de aceros Cr-Mo
Rangos de temperatura de alivio de tensiones recomendadas para aceros Cr-Mo (tratamiento post-soldadura)
Espesor
Rango de temperatura2
Acero 1
hasta 13mm
De 13 a 25mm
C
C
°
Más de 25mm C
°
°
Acero C
°
1/2 Cr-Mo 38 93 149 1/2Cr-1/2Mo 621-704 1 Cr-1/2 Mo 1Cr-1/2Mo 121 149 149 621-718 11/4 Cr-1/2 Mo 1 1/4Cr-1/2Mo 2Cr-1/2 Mo 2Cr-1/2Mo 2 1/4 Cr- 1Mo 149 177 177 2 1/4Cr-1Mo 677-760 3Cr-1Mo 3Cr-1Mo 5Cr-1/2Mo 5Cr-1/2Mo 7Cr-1/2Mo 7Cr-1/2Mo 704-760 9Cr-1Mo 177 204 204 9Cr-1Mo 732-760 9Cr-1Mo plus 9Cr-1Mo plus V+Nb+N V+Nb+N 1 Máximo contenido de carbono de 0.15%. Para un %C 2 La temperatura no debe exceder la más alto, la temperatura de precalentamiento debe ser temperatura de revenido del acero. aumentada entre 100 a 200 F (38 a 93 C). Se puede usar una menor temperatura de 36 precalentamiento con TIG. °
°
TRATAMIENTOS TÉRMICOS Como
práctica para aliviar tensiones en soldaduras de acero dúctil, se suele emplear un calentamiento de una hora por cada pulgada (2,54 cm) de espesor de plancha. Una planc plancha ha de 0,64 cm (1/ (1/4”) 4”) de esp espes esor or debe debe se serr calentad calent ada a po porr qui quince nce minu nuttos a la tem empe perratur atura a de al aliivi vio o de tensiones.
37
TRATAMIENTO MECÁNICO Este
tratamiento se realiza a temperatura ambiente y el materi ateria al a disten stension sionar ar de debe be se serr lo lo su sufficien cienttem emen entte dúc úcttil como para producir la deformación local necesaria para aliviar las tensiones. Una forma de realizar este tratamiento es a través de un sup perfrfiicie (sho (shot peening) que que induce granallado de la su esfuerzos residuales de compresión, los cuales contrarrestan el efecto de los posibles esfuerzos residuales de tracción y mejoran la resistencia a la la fatiga del componente. 38
TRATAMIENTO MECÁNICO Otra
forma de aplicar este tratamiento de alivio de
tensiones son:
martillando la unión soldada
aplicando vibración mecánica a través de un equipo que se conecta con la estructura y ejecuta el tratamiento mecánico sobre una gran superficie del componente.
39
DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS Como se ha comentado anteriormente, las deformaciones
en uniones soldadas son ocasionadas por los calentamientos locales consecuencia del proceso y de los enffririam en amiien enttos posteri posteriores ores.. Por ta tanto el el nive vell de distors storsiión prod rodu ucida estará en función de un sin número de factores que están presentes siempre en la soldadura como: Calor de aporte Procedimiento de soldadura Número de pasadas Cantidad de embridamiento 40
DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS
41
DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS
Contracción transversal
Contracción angular
Contracción longitudinal
Eje neutro 42
DEFORMACIÓN ANGULAR
43
DEFORMACIONES ANGULAR
44
DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS Eje neutro
Eje neutro
Distorsión por efecto de soldadura por encima del eje neutro
Distorsión por efecto de soldadura por debajo del eje neutro
45
DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS La
cantidad de contracción transversal que se puede
tener durante la soldadura a tope de planchas puede ser estimada mediante la siguiente fórmula: S (mm) = 0,2 (AW / t ) + 1,125 d
donde:
S = contracción lateral (mm)
AW
= sección transversal de la soldadura (mm2)
t
= espesor de la plancha (mm)
d = apertura de raíz (mm)
46
DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS A partir
de la relación anterior, se puede deducir que la contracción transversal debida a la soldadura es mayor cuanto más delgada sea la plancha a soldar. Esto es cierto cuando se comparan los mismos calores de aporte aplicados durante la soldadura; pues cuando el espesor de la plancha es mayor, será necesario aplicar más de una pasada y, en este caso, el efecto sobre la contracción transversal cambia. Si la junta soldada ha sido inmovilizada mecánicamente, el grado de contracción o distorsión transversal disminuirá en función del nivel de rigidez de la fijación existente. 47
EFECTO DE LAS VARIABLES Variable
Efecto sobre la contracción
Aumenta cuando la apertura de raíz Apertura de raíz aumenta Junta en V simple produce más Diseño de la junta contracción que una junta en V doble Diámetro del Disminuye cuando se emplea un mayor electrodo diámetro del electrodo Disminuye con el aumento de la fijación Grado de fijación de la unión Tipo de electrodo Tiene un efecto menor 48
DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS Se ha comprobado que soldaduras hechas con una sola
pasada (block welding) tienen menores niveles de distorsión o de energía elástica almacenada (es decir, tensiones residuales) que la misma unión realizada en múltiples pasadas. SMAW, 3 pasadas
SMAW, 5 pasadas
GMAW, 1 pasada
1°
1°
3,5°
0° GMAW, unión doble V
49
DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS En soldadura de costuras largas, la contracción del metal
depositado tiende a cerrar las esquinas a soldar provocando incluso que se solapen. Esto es especialmente cierto sobre todo en soldadura de arco eléctrico manual (SMAW)
50
FORMA DE CORRECCIÓN
51
CONTROL DE LA DISTORSIÓN La
presencia de distorsión es casi inevitable en un
proceso de soldadura. Es posible minimizarla, para ello se deben de tener en cuenta los siguientes detalles:
Mínimo de soldaduras
Reducir la introducción de calor
Reducir el material de aportación
Subdividir la construcción soldada (diseño)
Fijar la secuencia de soldadura.
Montaje de las piezas
52
CONTROL DE LA DISTORSIÓN Mínimo
de soldaduras
La mejor construcción soldada es, sin duda, la que reduce a un mínimo la cantidad de soldaduras y consta de un mínimo de piezas. Reducción
de la introducción del calor
Para cada soldadura, dependiendo del material, espesor, etc., habrá que elegir el procedimiento de soldadura adecuado para introducir el calor mínimo por unidad de tiempo. 53
CONTROL DE LA DISTORSIÓN Reducción
del material de aporte
La elección del tipo de bisel para cada soldadura es de gran importancia. En las soldaduras a tope, se elegirá un bisel de poca abertura que puede ser de 60º para soldadura manual y menor para soldadura automática o semiautomática (arco sumergido, MIG, MAG). La separación entre bordes será mínima con objeto de que la sección de soldadura se reduzca. 54
DISEÑO DE LA UNIÓN
55
FORMAS DE REDUCCIÓN DEL APORTE Mínima
separación en la raíz, que garantice una buena
penetración. El ángulo del chaflán mínimo posible. Emplear juntas en U en lugar de V cuando el espesor de
la pieza lo requiera. Debe
preferirse juntas en doble U que en doble V,
teniendo en cuenta que los primeros son más caros, y de debe tener acceso por ambos lados. 56
FORMAS DE REDUCCIÓN DEL APORTE
Chaflán en “V”
Chaflán en “X”
Comparación de ambos 57
CONTROL DE LA DISTORSIÓN Subdividir
la construcción en subconjuntos
Cuando se trata de soldar construcciones grandes, en el diseño ya se indicarán los subconjuntos a soldar, con lo cual se ahorrará tiempo y se reducirá a un mínimo las tensiones. Se soldará desde dentro hacia fuera; primero las soldaduras a tope y después a solape; primero las cortas y después las largas; primero las transversales, luego las longitudinales. En depósitos, se soldarán primero las longitudinales y luego las circunferenciales. 58
SECUENCIA DE SOLDEO
59
SECUENCIA DE SOLDEO
60
SECUENCIA DE SOLDEO
61
SECUENCIA DE SOLDEO
62
ESTABLECER LA SECUENCIA DE SOLDEO
9
7
11
5
4
1
10 6 2
12 3
8
63
ESTABLECER LA SECUENCIA DE SOLDEO
4 5
1
2
3
64
SECUENCIA DE SOLDEO
65
SECUENCIA DE SOLDEO En
uniones transversales con refuerzos o puentes, primero se deberá soldar la unión a tope ( 1 ) para permitir una libre contracción transversal, luego se deberá soldar las uniones en ángulo ( 2 ). Si se soldaran primero las uniones en ángulo, las tensiones residuales en la unión a tope podrían ser tan grandes que podrían originar una grieta, debido a la restricción de la contracción transversal. 66
ESTABLECER LA SECUENCIA DE SOLDEO
67
ESTABLECER LA SECUENCIA DE SOLDEO
68
PASO DE PEREGRINO Se evita el efecto de cierre de las planchas. Consiste en efectuar cada pasada en sentido contrario al
de avance del soldeo. En uniones largas En primeras pasadas de grandes espesores
69
SECUENCIA DE SOLDEO PLANCHA LARGA
PLANCHA CORTA
70
SECUENCIA DE SOLDEO
71
MONTAJE DE LAS PIEZAS Embridar
la piezas de forma que se minimice la deformación. Es el más simple y es empleado. Predeformar elásticamente en sentido contrario a la deformación prevista. Situar las piezas de forma que compense las deformaciones. Este método el es más adecuado que los dos anteriores. Es el más difícil de aplicar. 72
MONTAJE DE LAS PIEZAS
73
CORRECCIÓN SON SOLDADURA Cuando
la distorsión aparece en la unión soldada, es posible reducirla a través de algunas técnicas, siendo una de las más comunes el enderezado por llama. La zona deformada es calentada por un calentamiento local entre 600°- 650°C y enfriada posteriormente con agua o aire. Para el enderezado por llama, se puede emplear un equipo ordinario de soldadura oxigas . El tipo de soplete se elegirá de acuerdo a la aplicación y al espesor del metal. 74
ENDEREZADO POR LLAMA Se pueden emplear boquillas de llama única o multillamas
y sopletes multiboquilla. Las boquillas multillama se emplean para enderezado de piezas de más de 20 mm de espesor. Los sopletes multiboquilla son empleados para enderezar grandes superficies de planchas, tales como cubiertas y superestructuras en buques.
75
SOPLETES MULTIBOQUILLAS
76
ENDEREZADO POR LLAMA Aplicación del enderezado por llama de una pieza soldada
77
ENDEREZADO POR LLAMA Tubo metálico
Antorcha de oxigas
La plancha fría restringe la dilatación del cordón de soldadura calentado
Agua y agua en spray
Manguera para el aire
Manguera para el agua
Las áreas calentadas se contraen posteriormente durante su enfriamiento 78
ENDEREZADO POR LLAMA Los
aceros estructurales, los aceros para recipientes a presión y los aceros bonificables pueden ser enderezados por llama. Para ello, es importante que la temperatura de enderezado nunca sobrepase los 700°C (en el caso de los aceros bonificados nunca más alta que su temperatura de revenido). El calentamiento debe efectuarse en llama neutra o en llama oxidante. En este último caso, al haber una mayor temperatura e intensidad de llama, el tiempo de enderezado se reduce. 79
ENDEREZADO POR LLAMA En
el caso de los aceros inoxidables es importante calentar la superficie con llama oxidante (tiempos de permanencia cortos) y enfriar rápidamente con agua o aire comprimido inmediatamente después del calentamiento. El aluminio y sus aleaciones se pueden enderezar por llama (neutra) calentando la pieza entre 350° y 400°C. Dependiendo del tipo de pieza a enderezar, el calor se aplica en forma de puntos, franjas, cuñas, óvalos y combinaciones de éstos. 80
ENDEREZADO POR LLAMA
81
ENDEREZADO POR LLAMA
82
ENDEREZADO POR LLAMA
Enderezado de plancha curvada
Enderezado de plancha alabeada 83
ENDEREZADO POR LLAMA
Cuando se desea un efecto de curvatura más fuerte, por ejemplo, para enderezar vigas, se usan cuñas de calor. 84