alivio de tension para soldaduras mediante
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1. mico Profesor de la Escuela de Ingenier a Mackenzie Sao Paulo Brasil gscrisicdmackenzie com br 2 Ingeniero de Materiales Curitiba Brasil A A BS XXX CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem Del 13 al 15 de septiembre del 2004 Rio de Janeiro RJ Accocia do Bravilera de Sola gen 1 INTRODUCCION Los m todos actuales para el alivio de tensi n residual de las soldaduras son mec nico por calor y electromagn tico El m todo mec nico puede ser realizado por martillaje o vibraci n El m todo de calor consistir en calentar toda la pieza soldada o cada soldadura una por una El m todo electromagn tico usa la t cnica de martillo electromagn tico En el tratamiento t rmico se calienta la pieza hasta que el punto de rendimiento se reduce a menos que el de la tensi n residual que a su vez provoca la distorsi n local moldeable la disminuci n de la intensidad de la tensi n residual y la reducci n de la dureza El m todo de vibraci n introduce energ a en la pieza a trav s de vibraciones Para la estructura at mica tensa no hay diferencia entre la energ a introducida a trav s del calor y la energ a introducida a trav s de las vibraciones La energ a aplicada reorganiza la estructura cristalina aliviando la tensi n y la estabilizando la pieza sin distorsi n Este proceso es especialmente til para aliviar la tensi n de grandes estructuras por las que el costo del tratamiento por medios el ctricos ser a2. que gozaron de cierta popularidad en los a os sesenta y setenta fueron abandonados porque no producen los resultados esperados 5 ALIVIO DE TENSION POR VIBRACION ATV Basado en el peso de la pieza el m todo de ATV introduce vibraciones de alta amplitud y baja frecuencia por un per odo determinado de tiempo Esto alivia la tensi n residual sin distorsi n o alteraci n del l mite de elasticidad el punto de rendimiento o resistencia a la fatiga y se restablece el equilibrio est tico Las vibraciones m s eficientes son las resonantes porque en las vibraciones de frecuencia resonante la tensi n es mejor distribuida si se compara con sub frecuencia resonante Las vibraciones de baja frecuencia llevan energ a de alta amplitud y son muy eficaces en la disminuci n significativa del volumen m ximo de tensi n residual en piezas met licas y soldaduras El equipo empleado generalmente consiste en un vibrador robusto de velocidad variable que se adjunta a la pieza y un panel de control electr nico Ambos est n montados en un gabinete portable Tambi n se adjunta a la pieza un aceler metro que detecta vibraciones y transmite una se al al panel de control El punto de resonancia es determinado y luego se proyecta en el tablero Si el vibrador est equipado con una grabadora una gr fica tambi n puede ser obtenida El punto de resonancia se logra variando la frecuencia de la vibraci n hasta alcanzar la adecuada Dos minutos es el tiem
3. de metales ferrosos y no ferrosos incluyendo el carbono y acero inoxidable hierro fundido aluminio titanio etc en una gran variedad de formas Los tama os pueden variar desde peque as piezas soldadas ejes y engranajes a grandes estructuras soldadas y maquinarias de acero Sin embargo presenta algunas limitaciones no es eficaz en materiales moldeados trabajados en fr o y endurecidos por precipitaci n Una de las ventajas m s importantes de la utilizaci n del m todo ATV es su capacidad para aliviar la tensi n en cualquier punto del proceso de fabricaci n como despu s del mecanizado enganches perforaci n o moleduras En partes soldadas el alivio de tensi n se puede realizar durante la soldadura muy til para evitar la concentraci n de tensiones residuales que pueden causar deformaciones de la pieza El m todo es especialmente compatible con procesos de soldadura SMAW GMAW y GTAW popularmente conocidos como bara de electrodos MIG y TIG Con otros procesos de soldadura se pueden levantar algunos problemas log sticos 6 MIDIENDO EL ALCANCE DEL ALIVIO DE TENSION Hasta hace poco no hab a un m todo confiable para la medici n precisa de la tensi n residual que no s lo proced a de la soldadura sino tambi n de la forjadura manipulaci n en fr o y otros tipos de trabajos en metal Ahora con el uso de difractometr a con rayos X el problema ha sido resuelto En el pasado la nica manera de verificar si la tensi n
4. la dureza resultante de ambos tratamientos fue similar lo que indica una reducci n efectiva de tensiones residuales La conclusi n de que se podr a alcanzar ser a que el calor y m todos de vibraci n son equivalentes para prop sitos pr cticos Los autores acuerdan sin embargo que una prueba realizada con una sola pieza de la muestra tratada con cada m todo no es suficientemente representativa para llegar a conclusiones v lidas No obstante los autores creen que la conclusi n preliminar de este trabajo puede alentar a otros investigadores a considerar seriamente la posibilidad de una investigaci n m s a fondo del m todo de vibraci n para alivio de la tensi n En algunos casos el alivio de tensi n por vibraci n puede ser utilizado como una opci n m s conveniente para el tratamiento t rmico como por ejemplo cuando la pieza es demasiado grande para ser transportada y colocada en un horno En estos casos la posibilidad de llevar a cabo el alivio de tensi n en el lugar sin necesidad de mover la pieza es una clara ventaja Un ejemplo ser a una torre petroqu mica Por otra parte piezas en cantidades grandes y f ciles de manejar como secciones de tuber as prefabricadas pueden ser convenientemente termo tratadas en un horno por grupos 9 AGRADECIMIENTOS Los autores desean agradecer a las siguientes empresas Browne Dreyfus International Ltd de la ciudad de Nueva York por el suministro gratuito de material bibliogr
5. perlita En la interfaz de la soldadura con el HAZ granos oscuros de perlita son visibles con ferrita alrededor de los granos que forman una red alrededor de la perlita Cuanto m s cerca los granos de perlita estan a la soldadura m s grande es su tama o ya que fueron expuestos a temperaturas m s altas que los que estaban m s lejos Tambi n se observ que ni el m todo de vibraci n o el tratamiento t rmico altera la estructura metalogr fica original del material 8 CONCLUSIONES En primer lugar se observa que mientras las muestras que hab an sido tratadas con calor reflejan una disminuci n de la resistencia a la tensi n y un aumento de la elongaci n como era de esperar el m todo de vibraci n pr cticamente no altera esos valores no se tiemplan normalizan o endurecen por calor ni modificar las propiedades mec nicas del material En segundo lugar las energ as absorbidas en la prueba de impacto son pr cticamente las mismas Ninguna de las muestras se rompi lo que indica que el material soldado es Stress Relief Engineering Co M todo de Vibraci n Resonante para reducir tensiones residuales en soldaduras o fabricaciones de maquinaria pg 5 A A BS XXX CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem Del 13 al 15 de septiembre del 2004 Rio de Janeiro RJ Accociap do Bravilera de Sola gen d ctil porque tiene una cantidad considerable de ferrita como se puede observar en las micrograf as La disminuci n en
6. residual se ha reducido a un nivel aceptable era por analog a con dureza Es un hecho bien conocido que los materiales se endurecen cuando son sometidos a tensi n La experiencia adquirida a lo largo de los a os en los que las normas aplicables se siguen basando demostr que si la dureza medida despu s del alivio de la tensi n que se ha realizado es inferior a un valor emp rico determinado el tratamiento hab a tenido xito Esta condici n es especialmente importante si la soldadura fue para estar en contacto con ambientes corrosivos como es el caso de la industria qu mica Es bien sabido que dependiendo del medio ambiente los metales muestran una menor resistencia a la corrosi n si son sometidos a tensi n residual Este hecho se tiene en cuenta en el C digo para Tuber as a Presi n ASME ANSI B 31 Secci n 31 3 que se utiliza en las industrias de proceso tales como las refiner as de petr leo y plantas qu micas declara la m xima dureza permitible en soldaduras despu s Silveira Jos Paulo et al Op cit pg 4 13 A A BS XXX CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem Del 13 al 15 de septiembre del 2004 Rio de Janeiro RJ Aeroris do Bravilera de ola gan del alivio de tensi n Este requisito no existe en la Secci n B 31 1 que se utiliza en plantas de energ a donde la posibilidad de corrosi n es mucho menor Hasta hace muy poco difractometr a por rayos X presentaba un grave problema operacional El equ
7. A A BS XXX CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem Del 13 al 15 de septiembre del 2004 Rio de Janeiro RJ Accociap do Bravilera de Sola gan ALIVIO DE TENSION PARA SOLDADURAS MEDIANTE TRATAMIENTO TERMICO Y VIBRACI N UNA COMPARACI N ENTRE LOS DOS M TODOS Giovanni S Crisi 1 Danila Pedrogan Mendon a 2 ABSTRACTO Aunque todav a no se ha aceptado oficialmente por los c digos americanos de construcci n y dise o de tanques presurizados y tuber as que siguen exigiendo que el alivio de tensi n de las soldaduras se haga por calor el alivio de tensi n por vibraci n ha alcanzado mucha popularidad en los ltimos a os El prop sito de este trabajo es hacer una descripci n del m todo de vibraci n los principios te ricos en los que se basa sus procedimientos operativos y el estado del arte actual El documento se complementa con una secci n experimental Tres piezas de tuber a fueron soldadas una de las cuales se dej como fue soldada la segunda se alivi la tensi n por calor y la tercera se alivi la tensi n por vibraci n Varias muestras de las tuber as fueron cortadas que se someter n a pruebas de tensi n impacto dureza y an lisis metal rgico Por ltimo los resultados de las pruebas son presentados se hace una comparaci n entre ellas y se discute la conclusi n de los autores Palabras clave tensi n residual alivio de tensi n tratamiento t rmico m todo de vibraci n 1 Ingeniero Qu
8. co El tratamiento t rmico se llev a cabo en el horno del Laboratorio de Metalurg a de la Escuela de Ingenier a Mackenzie de acuerdo con la Norma ASME ANSI B 31 3 El calentamiento se llev a cabo a una velocidad m xima de 315 C h hasta alcanzar la temperatura de inmersi n de 650 C momento en que el tubo se mantuvo durante 30 minutos adicionales A continuaci n el horno se apaga y se deja enfriar con el tubo en el mismo 7 2 Alivio de Tensi n por Vibraci n Una empresa en la ciudad de Sao Paulo que posee equipo para ATV ofreci amablemente su ayuda realizando el tratamiento en la tuber a de muestra El tratamiento se hizo de acuerdo con el Manual de Instrucciones del equipo El tubo fue firmemente XXX CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem Del 13 al 15 de septiembre del 2004 Rio de Janeiro RJ SABS Aeroria do Hrarileira de Sola gan asegurado y la frecuencia de vibraci n se aument gradualmente hasta que se alcanzar la resonancia y mantenida durante diez minutos Luego se apag el vibrador 7 3 Prueba de elasticidad Todas las pruebas se llevaron a cabo de acuerdo reglamentos de la norma API 1104 Tres muestras fueron cortadas una de cada tubo teniendo las dimensiones se alas en la Tabla 2 Las muestras fueron aseguradas en la m quina Amsler del Laboratorio de Ensayo de Materiales de la Escuela de Ingenier a Mackenzie llev ndolas a la ruptura El ndice de carga fue de 600 N s 60 kgf s En tod
9. elevado y para piezas con intensas tolerancias dimensionales en las que el tratamiento t rmico podr a causar distorsiones que las superar an Los vibradores generalmente utilizados tienen una banda de frecuencia de O a 100 Hz Ellos est n conectados a la estructura que debe ser apoyada en bloques de goma La frecuencia es aumentada gradualmente hasta alcanzar la primera resonancia Esta resonancia se mantiene durante un per odo de tiempo determinado y entonces la frecuencia se incrementa de nuevo hasta alcanzar la segunda resonancia y as sucesivamente 2 FUENTES DE TENSIONES RESIDUALES Las tensiones residuales en soldaduras son producidas por tensiones localizadas en metal ocurridas inmediatamente despu s de la soldadura que son A Tensi n de Contracci n Esta es la principal fuente de tensi n residual Tiene lugar durante el enfriamiento de las areas soldadas que han sido sometidas a calor no uniforme B Tensi n debido al mayor enfriamiento de la superficie Cuando una soldadura se enfr a la superficie se enfr a m s r pido que el interior inclusive si este enfriamiento se produce en aire estacionario Cuanto mayor sea el espesor m s tensi n se genera C Tensi n debido a la fase de transformaci n Se produce debido a la transformaci n de la austenita cubo de cara centrada fcc a la ferrita cubo de cuerpo centrado bcc que causa un aumento en el volumen a la que la base de metal se opone Los tres tipos de ten
10. estras fueron sometidas a pruebas de impacto en la m quina Charpy a temperatura ambiente con un martillo de 30 kg Ninguna de las muestras se rompi Los resultados se presentados en la Tabla 5 A A BS XXX CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem Del 13 al 15 de septiembre del 2004 Rio de Janeiro RJ Accocia do Bravilera de ola gen Tabla 5 Prueba de Impacto Sin Tratamiento ATV O rmico Energ a absorbida kJ kgf m 284 4 29 285 4 29 1 285 2 29 08 7 5 Dureza Brinell La dureza Brinell se midi en las tres piezas con una bola de 10 mm de di metro y una carga de 3 000 kgf 30 000 kN El tama o de las impresiones y sus correspondiente dureza se muestran en la Tabla 6 Tabla 6 Dureza Brinell Tratamiento Di metro de la muesca mm 4 10 4 53 4 45 Dureza BHN 217 178 183 7 6 Metalograf a Despu s de ser pulidos los espec menes fueron cargados con nital por casi 5 segundos y sus microestructuras observadas en el microscopio metalogr fico Los resultados se describen a continuaci n Como era de esperar las micrograf as del metal base original muestran una alineaci n de los granos lo que indica que el material fue fabricado por laminaci n t rmica La soldadura esta b sicamente constituida por ferrita con una configuraci n dendr tica debido a la alta temperatura soportada durante el proceso de soldadura Como tambi n existe carbono la parte oscura visible en las micrograf as es probablemente
11. fico y otra informaci n Promenge Industria e Comercio Ltda de Sao Paulo Brasil por la preparaci n sin costo de los tubos utilizados en la secci n experimental Voith Paper M quinas e Equipamentos Ltda de Sao Paulo Brasil por llevar a cabo el alivio de tensi n por vibraci n de uno de los tubos tambi n de forma gratuita 10 REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS SILVEIRA Jos Paulo y MONTEIRO de BARROS Stenio Tensoes residuais e deformacoes em soldagem Tensi n Residual y distorsi n en soldaduras una publicaci n interna de Petrobr s Rio de Janeiro Brasil sin fecha STRESS RELIEF ENGINEERING Co M todo de Vibraci n Resonante para reducir tensiones residuales en soldaduras o fabricaciones de maquinaria Costa Mesa EE UU 1990 KOICHI M An lisis de estructuras soldadas tensiones residuales distorciones y sus consecuencias Nueva York Prensa Pergamon 1980 BOUHELIER C BARBARIN P DEVILLE P y MIEGE B Alivio de tensi n por vibraci n para partes soldadas y relajamiento mec nico para tensiones residuales Filadelfia L Morafin 1988
12. ipo era demasiado grande para ser tomado al sitio de uso y en muchos casos la soldadura no pod a ser tomada hasta el equipo Esta situaci n ha sido superada por el desarrollo de equipos suficientemente peque os como para ser trasladados de un lugar a otro Los c digos aplicables sin embargo sigen considerando la Dureza como par metro decisivo en la aprobaci n del alivio de tensi n y sta es la raz n por la que la hemos adoptado en la Secci n Experimental 7 SECCION EXPERIMENTAL La parte experimental de este estudio consisti en comparar los resultados del alivio de tensi n realizado por calor y por vibraciones de las soldaduras hechas en el mismo material acero semiduro ASTM A 106 grado B cuya composici n qu mica se muestra en la Tabla 1 Tres 4 pulgadas de di metro cuadro de 40 piezas de tuber as fueron soldadas con la soldadura situada en el centro La primera pieza no fue sometida a ning n tipo de tratamiento la segunda fue sometida a tratamiento t rmico y la tercera a ATV El electrodo usado fue E 6010 para el primer paso y E 7018 para el resto Despu s de la soldadura y antes del tratamiento las tuber as fueron maquinadas para eliminar la soldadura de refuerzo es decir tener una superficie similar externa de tuber as Tabla 1 Composici n qu mica del acero ASTM A 106 grado B Elementos Carbono 0 30 max Manganesio 0 29 1 06 F sforo 0 035 max Azufre 0 035 max Silicio 0 10 max 7 1 Tratamiento T rmi
13. os los casos la ruptura se produjo en la base de metal y no en la soldadura o HAZ La Tabla 3 muestra la informaci n resultante de las pruebas Tabla 2 Dimensiones de las muestras antes de las pruebas f Sin Tratamiento Dimensiones Tratamiento ATY T rmico Ancho mm 25 3 25 3 25 3 Largo mm 225 0 225 0 225 0 Grosor mm 6 25 6 25 6 40 Longitud L0 mm 125 0 125 0 125 0 Tabla 3 Resultados de las Pruebas op Sin Tratamiento Mediciones Tratamiento PIN T rmico Carga de Rendimiento kN kgf 52 0 5300 52 0 5300 44 9 4580 Carga Maxima kN kgf 74 7 7620 75 9 7746 68 6 7000 Carga de Ruptura kN kgf 60 2 6140 61 8 6300 53 9 5500 Longitud Lf mm 148 4 148 4 153 9 Los c lculos de las pruebas de elasticidad son mostrados en la Tabla 4 Tabla 4 C lculos de las pruebas de elasticidad Sin Tratamiento Parameto Tratamiento AIN T rmico Punto de Rendimiento MPa kgf cm 328 7 3352 328 7 3352 277 4 2829 Tensi n M xima MPa kgf cm 472 6 4819 480 4 4899 423 9 4323 Tensi n el stica final MPa kgf cm 380 8 3883 390 7 3984 333 1 3397 Elongaci n 18 76 18 74 23 12 7 4 Prueba de Impacto Las muestras para la prueba de impacto tienen las mismas dimensiones que las de la prueba de elasticidad con la adici n de dos cortes laterales en el tal n de soldadura tal como lo exige la norma API 1104 Las tres mu
14. po promedio necesario para llegar a la frecuencia de resonancia En este punto la vibraci n se mantiene durante un tiempo determinado en funci n del peso de la pieza y su aplicaci n prevista El tiempo puede variar de diez minutos a una hora o m s pero si se supera la pieza no sufra ning n da o debido a la fatiga o p rdida del l mite de la elasticidad Si las estructuras son muy grandes de largo o tienen espacios abiertos puede ser necesario aplicar el procedimiento en varios puntos Parte del equipo lleva a cabo el proceso de vibraci n autom ticamente La vibraci n se mantiene durante 15 minutos en una secuencia de tres diferentes frecuencias O A BS XXX CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem Del 13 al 15 de septiembre del 2004 Rio de Janeiro RJ Accocia do Bravilera de ola gan seleccionadas cada una de cinco minutos de duraci n Esta configuraci n es eficaz para el tratamiento de piezas con un peso m ximo de diez toneladas Para piezas de un peso de m s de diez toneladas dos per odos de 15 minutos consecutivos pueden usados sin sufrir da o alguno Dos simples reglas deben seguirse para todas las aplicaciones A Apoyar la pieza de la mejor manera posible aisl ndola del suelo o estructuras r gidas dej ndola libre para que vibre B El vibrador debe estar conectado directamente a la pieza con el fin de transferir la totalidad de la energ a vibratoria generada El m todo se puede utilizar en una amplia gama
15. si n residual usualmente suceden al mismo tiempo La experiencia demuestra que los efectos individuales de cada uno de ellos pueden ser sobrepuestos linealmente Silveira Jos Paulo et al Tensiones residuales y deformaciones en soldaduras pg 2 15 A A BS XXX CONSOLDA Congresso Nacional de Soldagem Del 13 al 15 de septiembre del 2004 Rio de Janeiro RJ Acrocia do Brarileira de Sola gen 3 EFECTOS DE LA TENSION RESIDUAL EN SOLDADURAS Entre otros los efectos de la tensi n residual en piezas soldadas son los siguientes A La tensi n residual es a adida a la carga que la soldadura ha sido dise ada para soportar que puede conducir al colapso del material B Reducci n de la resistencia a la corrosi n de la tensi n Las regiones sometidas a resistencia el stica de tensi n pueden sufrir corrosi n localizada en ambientes agresivos C Riesgo de grietas Todos los mecanismos de agrietamiento son afectados por tensi n residual y distorsi n causada por el calor localizado 4 ALIVIO DE TENSION POR TRATAMIENTO TERMICO Dependiendo de la forma y el tama o de la pieza el tratamiento t rmico para alivio de tensi n residual se puede llevar a cabo al calentar toda la pieza o partes de la misma en un horno o transformarla en una c mara de combusti n mediante la instalaci n de un quemador temporal en l o el tratamiento de las soldaduras una por una por medio de resistencias el ctricas Calor por kits exot rmicos
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