La tensión de soldadura se refiere a la tensión generada durante el proceso de soldadura en los componentes soldados. Esta tensión está causada por la proceso de soldadura y la tensión interna resultante y los cambios en la forma y el tamaño de la soldadura.
La causa fundamental de la tensión y la deformación de la soldadura es el campo de temperatura desigual durante la soldadura y la deformación plástica local resultante y las diferencias en la microestructura con volúmenes específicos variables.
Las tensiones y deformaciones transitorias de la soldadura se producen cuando el campo de temperatura de la soldadura aún no se ha disipado. Por otro lado, las tensiones y deformaciones residuales de la soldadura se refieren a las tensiones y deformaciones que permanecen después de la temperatura de soldadura campo se ha disipado.
En ausencia de fuerzas externas, la tensión de soldadura se equilibra dentro de la soldadura. Sin embargo, en determinadas condiciones, la tensión y la deformación de la soldadura pueden afectar a la funcionalidad y el aspecto de la soldadura.
① Efecto sobre la resistencia:
La presencia de defectos graves en zonas con elevada tensión de tracción residual puede repercutir negativamente en la resistencia a la carga estática de la soldadura si ésta funciona por debajo de la temperatura de transición frágil. La presencia de tensiones residuales de tracción en puntos de concentración de tensiones bajo esfuerzos cíclicos reducirá la resistencia a la fatiga de la soldadura.
La resistencia a la fatiga de las soldaduras no sólo depende de la magnitud de tensión residualsino también de factores como el factor de concentración de tensiones, el coeficiente característico del ciclo de tensiones y el valor máximo de la tensión cíclica. La influencia de la tensión residual disminuye a medida que disminuye el factor de concentración de tensiones y se intensifica a medida que disminuye el coeficiente característico del ciclo de tensiones, pero disminuye a medida que aumenta la tensión cíclica.
Cuando la tensión cíclica se acerca al límite elásticoel efecto de la tensión residual disminuye gradualmente.
② Efecto sobre la rigidez:
La combinación de tensión residual de soldadura y la tensión de las cargas externas pueden provocar una deformación plástica temprana en zonas específicas de la soldadura. Esto provocará una reducción de la rigidez de la soldadura.
③ Influencia en la estabilidad de la soldadura a presión:
Cuando una varilla soldada se somete a presión, la tensión residual de la soldadura se combina con la tensión de las cargas externas, lo que puede provocar una elasticidad o inestabilidad local y reducir la estabilidad general de la varilla.
El impacto de la tensión residual en la estabilidad depende de la geometría y la distribución de tensión interna en el interior del elemento. La influencia de la tensión residual en las secciones no cerradas, como las secciones en I, es mayor que su influencia en las secciones cerradas, como las secciones en cajón.
④ Influencia en la precisión del mecanizado:
La presencia de tensiones residuales de soldadura puede afectar a la precisión de mecanizado de las soldaduras en distintos grados. Cuanto menor sea la rigidez de la soldadura, mayor será la cantidad de mecanizado y mayor su impacto en la precisión.
⑤ Influencia en la estabilidad dimensional:
La tensión residual de soldadura y el tamaño de la soldadura cambian con el tiempo, y esto puede afectar a la estabilidad dimensional de la soldadura. La estabilidad de la tensión residual también influye en la estabilidad dimensional de la soldadura.
⑥ Efecto sobre la resistencia a la corrosión:
La combinación de la tensión residual de soldadura y la tensión de carga puede provocar grietas por corrosión bajo tensión.
Influencia de la tensión residual de soldadura en la estructura y el elemento:
La tensión residual de soldadura es la tensión inicial de un elemento antes de que soporte cualquier carga. Durante el uso del elemento, la tensión residual se solapa con la tensión de trabajo causada por otras cargas, lo que provoca una deformación secundaria y una redistribución de la tensión residual.
Esto no sólo disminuye la rigidez y la estabilidad de la estructura, sino que también afecta significativamente a su resistencia a la fatiga, a la fractura frágil, al agrietamiento por corrosión bajo tensión y al agrietamiento por fluencia a alta temperatura bajo los efectos combinados de la temperatura y el medio ambiente.
La tensión de la soldadura puede minimizarse mediante una consideración exhaustiva tanto del diseño como del proceso. Al diseñar una estructura de soldadura, se deben adoptar juntas de soldadura con menor rigidez, minimizar la cantidad y el tamaño de la sección transversal de las soldaduras y evitar una concentración excesiva de soldaduras. En cuanto al proceso, se pueden adoptar las siguientes medidas:
La determinación de la secuencia de soldadura debe permitir que la soldadura se contraiga libremente tanto como sea posible para reducir la tensión. La tensión de soldadura generada por la secuencia mostrada en la Figura 4-10a es pequeña, mientras que en la Figura 4-10b, el cordón de soldadura 1 aumenta primero la restricción sobre el cordón de soldadura 2, aumentando así la tensión residual.
a) Esfuerzo de soldadura mínimo, b) Esfuerzo de soldadura sustancial.
Durante el proceso de enfriamiento de la soldadura, utilice un martillo de cabeza redonda para golpear la soldadura de manera uniforme y rápida, provocando una deformación por alargamiento plástico local del metal de soldadura, compensando parte de la deformación por contracción de la soldadura, reduciendo así la tensión residual de soldadura.
Antes de soldar, caliente una parte adecuada de la pieza (conocida como zona de reducción de tensiones) para alargarla (Figura 4-11). Después de soldar, durante el enfriamiento, la zona de reducción de tensiones y la soldadura se contraen en la misma dirección, reduciendo la tensión de soldadura y la deformación.
La finalidad del precalentamiento antes de la soldadura es reducir la diferencia de temperatura entre la zona de soldadura y el metal circundante, disminuir la velocidad de enfriamiento de la zona de soldadura y reducir la expansión y contracción desiguales durante el calentamiento y enfriamiento de la soldadura, reduciendo así la tensión de soldadura. El enfriamiento lento después de la soldadura puede tener el mismo efecto.
Sin embargo, este método complica el proceso y sólo es adecuado para materiales con poca plasticidad y propensos al agrietamiento, como el acero de alto y medio carbono, el hierro fundido y el acero aleado.
Para eliminar las tensiones residuales de soldadura en la estructura soldada, en la producción se suele utilizar el recocido de alivio de tensiones. Para las estructuras de acero al carbono y de acero de aleación baja o media, todo el componente o parte de la junta de soldadura puede calentarse a 600-800°C después de la soldadura, y enfriarse lentamente después de mantenerse a esta temperatura durante un cierto periodo de tiempo. Generalmente, se puede eliminar más de 80% de la tensión residual de soldadura.
Para controlar la deformación de la soldadura, el tamaño y la forma de los cordones de soldadura deben seleccionarse razonablemente durante el diseño de la estructura soldada, el número de cordones de soldadura debe reducirse al mínimo en la medida de lo posible y la disposición de los cordones de soldadura debe ser simétrica. En la producción de estructuras soldadas, suelen aplicarse las siguientes técnicas:
Basándose en cálculos teóricos y valores empíricos, el margen de contracción se tiene en cuenta de antemano durante la preparación y el procesamiento de las piezas de soldadura, para que la pieza pueda alcanzar la forma y el tamaño requeridos después de la soldadura.
Basándose en la experiencia o en mediciones, el tamaño y la dirección de la deformación estructural de la soldadura se estiman de antemano. Durante el montaje de la estructura de soldadura, se crea una deformación intencionada en dirección opuesta pero de igual magnitud para compensar la deformación producida tras la soldadura (véase la figura 4-12).
a) Creación de deformación angular
b) Neutralización de la deformación angular
Las piezas de soldadura se fijan durante la soldadura y la fijación rígida se retira después de que las piezas de soldadura se hayan enfriado a temperatura ambiente. Esto puede evitar eficazmente la deformación angular y la deformación ondulatoria, pero aumenta la tensión de soldadura.
Este método sólo es adecuado para estructuras de acero de bajo contenido en carbono con buena plasticidad y no debe utilizarse para materiales de fundición y acero con gran tendencia al endurecimiento para evitar fracturas posteriores a la soldadura. La figura 4-13 muestra el uso del método de fijación rígida para evitar la deformación angular de la cara de la brida.
La selección de una secuencia de soldadura razonable es esencial para controlar la deformación de la soldadura. Para la soldadura de vigas de sección simétrica, la secuencia de soldadura mostrada en la Figura 4-14 puede reducir eficazmente la deformación de la soldadura.
En el caso de piezas con una distribución irregular de las soldaduras, como la viga principal del puente grúa que se muestra en la figura 4-15, una secuencia de soldadura sensata consiste en que dos operarios suelden simultánea y simétricamente primero las soldaduras 1-1′, seguidas de las soldaduras 2-2′ y, por último, las soldaduras 3-3′. De esta manera, la deformación hacia arriba causada por la soldadura 1-1′ puede ser compensada esencialmente por la deformación hacia abajo causada por las soldaduras 2-2 y 3-3.
Durante el proceso de soldadura, incluso cuando se adoptan las medidas mencionadas anteriormente, a veces pueden producirse deformaciones que superan el valor admisible. Los métodos comúnmente adoptados para corregir la deformación de la soldadura incluyen:
La corrección mecánica consiste en utilizar una fuerza externa para inducir una deformación plástica en el componente en la dirección opuesta a la deformación de la soldadura, anulando así la deformación de cada uno (Figura 4-16). Por lo general, este método sólo es adecuado para aceros con bajo contenido en carbono y aceros ordinarios de baja aleación que tienen una rigidez relativamente baja y una buena plasticidad.
La corrección por llama utiliza la contracción por enfriamiento tras el calentamiento local del metal para corregir la deformación existente en la soldadura. La figura 4-17 muestra una deformación ascendente de una viga en T después de la soldadura, que puede corregirse calentando la posición del alma con una llama. La zona de calentamiento es triangular, y la temperatura de calentamiento es de 600-800°C.
Tras el enfriamiento, la banda se contrae, provocando una deformación inversa y enderezando el componente soldado. Este método es adecuado principalmente para materiales con buena plasticidad y sin tendencia al endurecimiento.
El tratamiento de envejecimiento por vibración es un método común para reducir la tensión residual interna en materiales de ingeniería. El proceso consiste en someter el material a vibración, lo que provoca una pequeña deformación plástica en el material cuando la tensión residual combinada y la tensión de vibración adicional superan el límite elástico del material, reduciendo así la tensión interna.
El envejecimiento térmico es un proceso de reducción de la tensión residual en una pieza de trabajo calentándola hasta su temperatura de transición elástica-plástica, manteniéndola a esa temperatura durante un periodo de tiempo determinado y, a continuación, enfriándola lentamente. El resultado de este proceso es que la pieza se encuentra en un estado de baja tensión tras el enfriamiento.
Sin embargo, si los parámetros del proceso de calentamiento, aislamiento y enfriamiento no se seleccionan correctamente o si no se siguen estrictamente los procedimientos operativos, el proceso de eliminación de tensiones puede no ser eficaz, e incluso puede aumentar la tensión en la pieza. Así lo demuestra la experiencia de producción.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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