ALIVIO DE TENSIONES POR VIBRACIONES SUBARMÓNICAS EN UNIONES SOLDADAS DE ACERO AL CARBONO.

En 2014 TAMA INGENIEROS S.A.C. se propuso medir la magnitud en la que se reducen los esfuerzos residuales post soldadura mediante el proceso de alivio de tensiones por vibraciones y contrastarla contra la reducción producida por efecto de la aplicación del tratamiento térmico de alivio de tensiones.El método utilizado para cuantificar los esfuerzos residuales incluyó la medición de tensiones residuales mediante la técnica de difracción de rayos X (DRX).

Las mediciones fueron realizadas en dos probetas idénticas sometidas al mismo proceso de soldadura y los resultados experimentales reportaron una reducción en la magnitud de los esfuerzos residuales longitudinales de tracción de hasta 85% en el centro del cordón de la probeta sometida al tratamiento térmico de alivio de tensiones mientras que en el caso de la probeta sometida al alivio de tensiones mediante vibraciones se evidenció una reducción de esfuerzos residuales de 35%.

1.- LAS TENSIONES RESIDUALES

Los cambios de temperatura propios de los procesos de transformación del acero generan tensiones residuales que a su vez revelan efectos adversos en el material, los principales son: distorsiones dimensionales, generación de fisuras, modificación de la microestructura del metal y su dureza cercana a las zonas afectadas por el calor.

Los esfuerzos residuales de soldadura se deben a deformaciones plásticas y elásticas. Durante el proceso de soldadura, mientras el material es calentado y fundido trata de expandirse localmente, pero se encuentra restringido por el metal base frio que se encuentra alrededor. A continuación, el área calentada se contrae tan rápido como se enfría, mientras que el metal base –más frio y rígido- permanece en su lugar, esta restricción genera esfuerzos locales, deformaciones microscópicas, y cambios de fase que contribuyen a la creación de esfuerzos residuales [1] cuya distribución es similar a la que se muestra en la Figura 1.

2.- EL TRATAMIENTO TÉRMICO DE ALIVIO DE TENSIONES

El método utilizado con mayor frecuencia para mitigar dichos esfuerzos residuales es el tratamiento térmico de alivio de tensiones en el cual una estructura es calentada lentamente hasta temperaturas superiores a los 600°C, la pieza luego es mantenida a esa temperatura por una cantidad de tiempo predeterminada, durante este proceso el punto de fluencia del metal base es lo suficientemente bajo como para relajar plásticamente las zonas afectadas. Si bien existen alternativas como las mantas cerámicas portátiles y equipos de tratamiento térmico por inducción para el tratamiento térmico post soldadura de estructuras soldadas de grandes dimensiones, algunas de las desventajas de este tipo de alivio de tensiones vienen dadas por los elevados tiempos de proceso, el costo y la cantidad de energía que demandan, los costos logísticos de transporte y manipuleo, la alteración de las propiedades mecánicas y la distorsión dimensional de la pieza.

3.- EFECTIVIDAD DEL MÉTODO DE ALIVIO DE TENSIONES MEDIANTE VIBRACIONES

Para responder a esta interrogante se llevó a cabo un proceso experimental con probetas soldadas de acero al carbono que consistió en (a) medir la efectividad del método de alivio de tensiones en probetas soldadas, así como (b) medir la efectividad del método de alivio de tensiones por tratamiento térmico, y luego la comparación cuantitativa de los resultados de (a) y (b). Previamente, dentro de los diferentes métodos disponibles para alivio de tensiones mediante vibraciones mecánicas, se identificó el de vibraciones subarmónicas.

4.- EL ALIVIO DE TENSIONES POR VIBRACIONES SUBARMÓNICAS

En este método de alivio de tensiones las piezas son sometidas a vibraciones con una frecuencia que se encuentra dentro de la zona subarmónicas de la curva armónica del elemento sometido a vibración y se fundamenta en dos principios:

a. La energía vibracional absorbida por un elemento llega a un punto máximo cuando éste es sometido a vibraciones de nivel subarmónico, es decir, por debajo de su frecuencia natural de resonancia.

b. La curva armónica de una pieza con tensiones residuales será trasladada a una nueva frecuencia cuando dicha pieza es tratada mediante vibración.

En la Figura 2 se aprecia que cuando se induce una frecuencia dentro de la zona subarmónica se maximiza la absorción de energía para el alivio de tensiones tal como lo indica el área mayor dentro de la curva de histéresis. En la frecuencia correspondiente al pico armónico, la energía interna disipada cae a cero. Por tal razón Hebel [3] advierte que la aplicación del tratamiento mediante vibraciones a frecuencias resonantes (o de pico armónico) puede dañar la estructura conduciendo al proceso a lograr resultados adversos a los deseados. El área dentro del lazo de histéresis es la energía de amortiguamiento disipada y llega a un máximo cerca del inicio de la curva armónica, área denominada como Zona Subarmónica [3] y que corresponde a la mayor cantidad de energía disipada  para el alivio de tensiones.

Por otro lado, todos los cuerpos metálicos tienen una frecuencia armónica. Si la pieza ha sido sometida a un choque térmico que le originó tensiones residuales durante su proceso de manufactura, el pico armónico se ubicará en una frecuencia no natural. Por medio de la aplicación de las vibraciones subarmónicas el componente neutralizará sus esfuerzos residuales y al hacerlo, el pico armónico se desplazará y permanecerá en una nueva frecuencia armónica. Wong y Johnson [5] establecieron que la curva armónica será alterada en función del nivel de esfuerzos residuales contenidos en el objeto concluyendo que el desplazamiento en la frecuencia natural como resultado de la existencia de los esfuerzos residuales sirve como medio para analizar y evidenciar la efectividad del método.

5.- DIFRACCIÓN DE RAYOS X (DRX)

La difracción de rayos X es una técnica versátil, no destructiva y mide los esfuerzos a nivel macro y microscópico. La medición se realiza colocando la muestra en un difractómetro y exponiéndola a rayos X que interactúan con la red cristalina del metal base para generar un patrón de difracción. Los rayos X son producidos cuando electrones con suficiente energía cinética son rápidamente desacelerados. Cuando un rayo X alcanza la superficie de un cristal, una porción es dispersada por la capa de átomos de la superficie. La porción no dispersada penetra en la segunda capa de átomos donde otra vez una fracción es dispersada y la que queda pasa a la tercera capa (Figura 4). La técnica de DRX es una técnica de medición indirecta porque lo que verdaderamente mide es la deformación interpretada como la variación en la distancia interplanar relativa entre planos cristalinos, esta deformación causa cambios en el espaciamiento reticular desde su valor libre de esfuerzos a un nuevo valor que corresponde a la magnitud del esfuerzo aplicado. Un material está libre de esfuerzos cuando el valor de la distancia interplanar es independiente de la orientación de estos planos con respecto a la muestra. En cambio, en un material sometido a tensión la deformación será función de la orientación del plano respecto de la tensión [7].

6.- PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL PARA EL ALIVIO DE TENSIONES

En TAMA INGENIEROS se llevó a cabo un procedimiento experimental para determinar la efectividad del tratamiento térmico mediante vibraciones subarmónicas, el cual se detalla el trabajo de investigación “Alivio de tensiones mediante vibraciones subarmónicas en uniones soldadas de acero al carbono”  [9] y que se resume a continuación:

a. Habilitado, soldadura y rotulado de seis probetas soldadas de acero al carbono ASTM A36 de 9.5 mm x 150 mm x 400 mm (con marcas 9ST1, 9ST2, 9TT1, 9TT2, 9AV1 y 9AV2) donde ST: Sin tratamiento, TT: Tratamiento térmico de alivio de tensiones, AV: Tratamiento de alivio de tensiones mediante vibraciones subarmónicas.

b. Inspección dimensional y ensayos no destructivos (END) de líquidos penetrantes.

c. Embalaje y envío aéreo al laboratorio de medición por difracción de rayos X de las probetas 9AV2 y 9TT2.

d. Electroerosionado a 0.5 mm de profundidad para eliminar la capa superficial de material en el laboratorio.

e. Selección e identificación de ocho puntos de medición de esfuerzos residuales en cada probeta.

f. Medición mediante DRX de tensiones residuales “as weld” en diversos puntos alineados de forma transversal al cordón de soldadura.

g. Embalaje y envío aéreo de retorno a los talleres de TAMA INGENIEROS S.A.C. en Lima, Perú.

h. Alivio de tensiones por vibraciones subarmónicas de la probeta 9AV2 en los talleres de TAMA INGENIEROS S.A.C.

i. Alivio de tensiones por tratamiento térmico de la probeta 9TT2 con un proveedor local.

j. Embalaje y segundo envío aéreo al laboratorio de medición por difracción de rayos X de las probetas 9AV2 y 9TT2.

k. Ensayo de medición de tensiones residuales post-tratamiento en los mismos puntos medidos inicialmente (paso e).

l. Análisis y comparación de resultados antes y después de ambos tratamientos.

7.- RESULTADOS

Los resultados de las mediciones de las tensiones residuales en ambas probetas -antes y después de sus tratamientos- revelaron que en el centro del cordón de soldadura de la probeta sometida a vibraciones subarmónicas los esfuerzos residuales de tracción fueron de 29 ksi y de 19 ksi antes y después del proceso de alivio de tensiones respectivamente, es decir se obtuvo un 34.5% de reducción en la magnitud de las tensiones residuales. En el caso de la probeta sometida a tratamiento térmico, en la misma ubicación, se midieron esfuerzos residuales de tracción de 26 ksi y de 4 ksi antes y después del proceso de alivio de tensiones, respectivamente lo que representó una reducción de 84.6% en la magnitud de las tensiones residuales, como se gráfica en la Figura 05.

8.- CONCLUSIONES

• Dada la diferencia en las magnitudes de reducción de esfuerzos residuales, el alivio de tensiones mediante vibraciones subarmónicas no puede ser considerado como una alternativa al tratamiento térmico, sin embargo, es posible recomendar la aplicación de este método como complemento al tratamiento térmico. Si por alguna razón se necesita la aplicación del tratamiento térmico para la modificación de las propiedades mecánicas, se recomienda aplicar vibraciones subarmónicas antes del tratamiento térmico a fin de reducir las distorsiones dimensionales que normalmente suceden durante el proceso de calentamiento.
• Por otro lado, se recomienda su aplicación en estructuras o componentes que están sujetos a esfuerzos de fatiga con el fin de reducir el riesgo de fisuración prematura. En este campo, TAMA INGENIEROS cuenta con amplia experiencia llevando a cabo el alivio de tensiones mediante vibraciones subarmónicas a componentes como bases de bomba, estructuras para zarandas vibratorias, componentes de molinos SAG y de bolas, anillos para trommel en la industria minera y tundish para colada continua, rodillos y ductos refrigerados para la industria siderúrgica.
• Se encontró que el costo por kilogramo del tratamiento de alivio de tensiones mediante vibraciones subarmónicas fue casi la sexta parte del costo por kilogramo del tratamiento térmico en horno, como se muestra en la Figura 05.

• Otros de los beneficios del alivio de tensiones mediante vibraciones para estas aplicaciones vienen dado por la menor emisión de gases de efecto invernadero: por cada hora de tratamiento térmico de alivio de tensiones se pueden generar 85 kg de CO₂ considerando las pérdidas térmicas [10], mientras que con una manta térmica se generan 0.23 kg de CO₂, en comparación con los 0.13 kg de CO₂ emitidos por el motor eléctrico inductor de vibraciones de 5/8 HP de potencia nominal [9], véase la Tabla 01.