Alivio de esfuerzos residuales originados en procesos de soldadura a través de vibraciones

Abstract

Muchos de los procesos de fabricación, unión y terminación de piezas y estructuras metálicas producen esfuerzos residuales, que permanecen en su interior y eventualmente se suman a los esfuerzos aplicados externamente. Es el caso de procesos de fundición, conformado plástico, soldadura, tratamientos térmicos y superficiales, sólo por nombrar los más conocidos. Al permanecer en el interior de las piezas, los esfuerzos residuales se hacen partícipes de la respuesta mecánica frente a cargas externas, pudiendo provocar efectos tanto favorables como desfavorables. Entre los primeros se cuenta el mejoramiento de la resistencia a la fatiga debido a esfuerzos compresivos generados por procesos de nitruración o por granallado. Por su parte los esfuerzos residuales de tensión se asocian a efectos desfavorables como la fractura, motivo por el cual se hace necesario tomar acciones tendientes a evitarlos, eliminarlos o atenuarlos. La atenuación o eliminación de esfuerzos residuales en aceros se realiza generalmente por medio de tratamientos de térmicos de post-calentamiento. En estos, los propios esfuerzos residuales producen pequeñas deformaciones plásticas locales, debido a la reducción del esfuerzo de fluencia del material por efecto de la temperatura. Todo esto controlado por la difusión atómica en estado sólido, por lo que la reducción de los esfuerzos residuales es proporcional a la temperatura y el tiempo de tratamiento. Una alternativa para producir alivio de esfuerzos residuales registrada en literatura técnica, es la aplicación de vibraciones sobre la pieza, lo que permite evitar el tratamiento térmico y los costos asociados a ello. Sin embargo la información disponible respecto de su eficacia en comparación con el tratamiento térmico es muy escasa así como respecto del efecto específico de las variables de su aplicación. En este contexto, el presente trabajo plantea efectuar una comparación directa de ambos métodos de alivio, a partir de una situación de esfuerzos residuales originados por un proceso de soldadura. Para ello, se efectuó depósitos de soldadura en forma automática mediante el proceso de Arco Sumergido, sobre un conjunto de cupones correspondientes a planchas de acero estructural. A partir de la condición inicial de soldadura, unos cupones fueron tratados térmicamente para alivio de tensiones de acuerdo a las recomendaciones del código ASME, mientras otras fueron expuestas a aplicación de vibraciones forzadas en diversas condiciones. La presencia de tensiones residuales en las planchas originales soldadas y las planchas con ambos tipos de tratamiento, fue verificada mediante el método de perforación de agujero ciego, según norma ASTM-E837. Los resultados obtenidos permiten concluir que el tratamiento por aplicación de vibraciones produce reducción de los esfuerzos residuales contenidos en planchas de acero con depósitos de soldadura. Sin embargo, la magnitud de la reducción de esfuerzos residuales resulta ser muy variada en función de las variables de aplicación, específicamente el tiempo de aplicación de las vibraciones y el voltaje aplicado en el equipo vibrador, lo que se relaciona con la amplitud de las vibraciones. En la mejor combinación de las variables, el método vibratorio alcanza una reducción de esfuerzos residuales del orden de un 60% de la reducción lograda por tratamiento térmico. Este resultado indica que el tratamiento de vibraciones claramente es menos efectivo que el tratamiento térmico, pero no descalifica la utilidad que puede tener el método, por sí solo o en combinación con temperaturas menores que las usadas en el tratamiento térmico tradicional.