En el campo de la ingeniería, es fundamental comprender las tensiones residuales que pueden surgir en las juntas soldadas de acero inoxidable super dúplex (UNS S32760). Estas tensiones pueden tener un impacto significativo en la integridad estructural y durabilidad de los materiales utilizados en la construcción de estructuras y equipos industriales. En este artículo, exploraremos en detalle el análisis de tensiones residuales mediante la técnica de difracción de rayos X (XRD) en las juntas soldadas de acero inoxidable super dúplex. Descubriremos cómo esta técnica nos permite evaluar con precisión la distribución y magnitud de las tensiones residuales, lo que nos brindará información valiosa para la optimización de los procesos de soldadura y el diseño de componentes más seguros y duraderos. ¡Acompáñanos en esta aventura científica para desvelar los secretos de las tensiones residuales en las juntas soldadas de acero inoxidable super dúplex!
Un proyecto final sobre análisis de tensiones residuales de uniones soldadas de acero inoxidable súper dúplex mediante XRD (difracción de rayos X) presentado por Prasad .K en extrudesign.com.
ABSTRACTO
La soldadura es el proceso de unir dos o más metales similares o diferentes y tiene numerosas aplicaciones industriales en la industria aeroespacial, naval, construcción, etc. Durante la soldadura, surgen tensiones residuales debido a las contracciones diferenciales que ocurren a medida que el metal de soldadura se solidifica y se enfría a temperatura ambiente. Las tensiones residuales tienen efectos graves en las uniones soldadas ya que afectan la vida útil y las propiedades del material.
Esta investigación se ocupa del análisis de tensiones residuales de uniones soldadas para material de acero inoxidable súper dúplex UNS S32760. Para analizar el efecto de las tensiones residuales, se fabrican 8 uniones a tope soldadas de acero inoxidable súper dúplex mediante procesos de soldadura TIG y MIG y se realiza difracción de rayos X (DRX) en las uniones. El alcance del proyecto también incluye investigar cómo se pueden reducir las tensiones residuales inducidas en las uniones soldadas utilizando varios enfoques. Uno de los métodos es la voladura. Se analizan diferentes métodos de voladura y se selecciona el más adecuado. También se analizó otra influencia de las tensiones residuales sobre las propiedades mecánicas de las uniones soldadas antes y después de la voladura.
La dureza de las muestras (uniones soldadas) se mejora reduciendo las tensiones internas mediante martillo.
Temas: Análisis de tensiones residuales, Análisis de tensiones residuales de una unión soldada mediante XRD
1. INTRODUCCIÓN
La soldadura consiste en unir dos componentes metálicos similares o diferentes mediante calor, con o sin aplicación de presión, y con o sin el uso de metal de aportación. El calor se puede obtener mediante reacción química, arco eléctrico, resistencia eléctrica, calor por fricción, energía sonora y luminosa. Si no se utiliza ningún metal filtrante durante la soldadura, se denomina «proceso de soldadura autógena». La soldadura desempeña un papel importante en la construcción de camiones cisterna para el transporte de petróleo, agua, leche y en la producción de tubos y tuberías soldados, cadenas, bombonas de GLP y otros artículos. Muebles de acero, portones, puertas y marcos de puertas, carrocerías de automóviles y otras partes de electrodomésticos como refrigeradores, lavadoras, hornos microondas y muchos otros artículos de uso general se fabrican mediante soldadura. A continuación se enumeran algunos usos posibles de las conexiones soldadas.
1.1 Aplicaciones de uniones soldadas
recipiente a presión
Uno de los primeros usos importantes de la soldadura fue en la fabricación de recipientes a presión. La soldadura permitió aumentar significativamente las temperaturas y presiones de funcionamiento en comparación con los recipientes a presión remachados.
puentes
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El primer uso de la soldadura en la construcción de puentes fue en Australia. Esto se debió a problemas para transportar paneles de remaches completos o máquinas remachadoras pesadas necesarias para la fabricación in situ a áreas remotas. El primer puente totalmente soldado se construyó en Gran Bretaña en 1934. Desde entonces, todos los puentes soldados se han construido con mucha frecuencia y con éxito.
construcción naval
Los barcos antiguamente se hacían mediante remachado. En el barco Queen Mary se utilizaron más de diez millones de remaches, lo que requirió experiencia y una gran organización para remachar, pero la soldadura habría permitido el uso de mano de obra semicalificada o no calificada y el principio de prefabricación. La soldadura entró en la construcción naval alrededor de 1920 y hoy en día son comunes los barcos completamente soldados. Asimismo, los submarinos se fabrican mediante soldadura.
Estructuras de construcción
La soldadura por arco se utiliza en la construcción de edificios de acero, lo que genera importantes ahorros de acero y dinero. Además del edificio, para su fabricación también es necesario soldar estructuras enormes, como torres de acero, etc.
Aeronaves y naves espaciales:
Al igual que los barcos, los aviones alguna vez se fabricaban mediante remachado, pero con la introducción de los motores a reacción, la soldadura se usa comúnmente para la estructura de los aviones y para unir los paneles de revestimiento a la carrocería. Las naves espaciales que están expuestas tanto al calor por fricción como a bajas temperaturas requieren una piel exterior y otras piezas hechas de materiales especiales. Estos materiales se sueldan con total éxito, consiguiendo seguridad y fiabilidad.
Vias ferreas
Los ferrocarriles utilizan ampliamente la soldadura en la fabricación de vagones y vagones, en la colocación de neumáticos para nuevas vías de ferrocarril utilizando máquinas móviles de soldadura a tope por chispa y en la reparación de vías agrietadas o dañadas mediante soldadura con termita.
Automóviles
La soldadura es necesaria en la fabricación de componentes de automóviles, como el chasis, la carrocería y la estructura, los tanques de combustible y la conexión de las bisagras de las puertas.
Industria electrica
La soldadura juega un papel importante desde la generación hasta la distribución y uso de la energía eléctrica. Los componentes de las centrales hidroeléctricas y de vapor, como tuberías forzadas, compuertas de control de agua, condensadores, torres de transmisión de energía y equipos del sistema de distribución, se fabrican mediante soldadura. Los álabes de la turbina y las aletas de refrigeración también se unen mediante soldadura.
Industria electrónica
La soldadura se utiliza de forma limitada en la industria electrónica, por ejemplo para conectar terminales de transistores especiales, pero también se utilizan ampliamente otros métodos de unión como la soldadura fuerte y la soldadura fuerte. Los componentes electrónicos se conectan a placas de circuito mediante soldadura. La soldadura robótica se usa ampliamente para conectar piezas a placas de circuitos de computadoras, televisores, dispositivos de comunicación y otros dispositivos de control, etc.
Instalaciones nucleares
Las bolas de los reactores nucleares, los codos de las tuberías que conectan dos tuberías que transportan agua pesada y otros componentes deben soldarse para un funcionamiento seguro y confiable.
Industria de defensa
La industria de defensa requiere soldadura para unir muchos componentes del equipo de guerra. La fabricación de cuerpos de tanques y la conexión del accesorio de la torre al cuerpo principal de los tanques son ejemplos típicos de aplicaciones de soldadura.
Microunión
Para unir alambres delgados con alambres, láminas con láminas y láminas con alambres, se utilizan procesos como la soldadura por microplasma, ultrasonidos, láser y por haz de electrones, por ejemplo para producir conexiones de termopares, galgas extensométricas con líneas de cables, etc.
Además de las aplicaciones anteriores, la soldadura también se utiliza para conectar tuberías, tender oleoductos y gasoductos y construir camiones cisterna para su almacenamiento y transporte. También se fabrican mediante soldadura estructuras marinas, astilleros y grúas de carga y descarga.
1.2 IMPORTANCIA DE LAS JUNTAS SOLDADAS
La soldadura juega un papel importante ya que proporciona suficiente resistencia a las uniones. Sin embargo, durante la soldadura surgen tensiones internas en la conexión que afectan a las propiedades mecánicas de las uniones soldadas. La soldadura organizada garantiza conexiones firmes
Supongamos que el propósito es unir los paneles a tope. En este punto, una conexión con remaches o tornillos es inútil, incluso si los ha conectado, se requiere una banda de soporte y aún no se tiene la fuerza requerida. En esta etapa, la soldadura tiene lugar la oportunidad óptima para unirse. Una unión soldada adecuada proporciona más resistencia que el material base.
Algunas otras aplicaciones de las uniones soldadas
- Tecnología espacial
- Ferrocarriles y vagones de ferrocarril.
- Industria del automóvil y proveedores de automoción.
- Electricidad y electrónica
- Ferretería doméstica
- Radiadores y contenedores
- Instrumentos y accesorios médicos.
- Equipos nucleares
- Industria de alimentos y bebidas
1.3 Tensiones residuales en uniones soldadas
La tensión residual es la tensión que existe dentro de un material sin la acción de una carga externa, o puede describirse como la tensión que permanece en un cuerpo que está estacionario y en equilibrio con su entorno.
La soldadura es un proceso de producción importante para la industria, pero genera importantes tensiones internas. Surgen en la estructura a partir de contracciones diferenciales que ocurren cuando el metal de soldadura se solidifica y se enfría a temperatura ambiente. De hecho, la soldadura provoca un elevado aporte de calor al material a soldar. Esto conduce a una distribución desigual del calor, deformaciones plásticas y transformaciones de fase en el material. Estos cambios crean diferentes patrones de tensión residual para el área de soldadura y en la zona afectada por el calor (HAZ). Cada mecanismo generador de tensión tiene sus propios efectos sobre la distribución de la tensión residual, como se muestra en la figura 1.4. Las tensiones residuales causadas por la contracción del área fundida suelen ser tensiones de tracción. Las tensiones residuales causadas por la transformación ocurren en aquellas partes de la ZAT donde la temperatura excede los valores críticos para las transformaciones de fase. Si predomina el efecto de las transformaciones de fase, se desarrollan tensiones de compresión residuales en las áreas transformadas.
1.4 Causas de tensiones residuales
Las tensiones residuales surgen en la mayoría de los procesos de fabricación, que implican deformación del material, tratamientos térmicos, mecanizado u operaciones de procesamiento que cambian la forma o alteran las propiedades de un material. Provienen de diversas fuentes y pueden estar presentes en la materia prima sin procesar, introducidas durante la fabricación o derivadas de la carga durante la operación. Es posible clasificar el origen de las tensiones residuales de la siguiente manera
- Flujo plástico diferencial
- Diferentes velocidades de enfriamiento
- Transformaciones de fase con cambios de volumen, etc.
Por ejemplo, la presencia de tensiones residuales de tracción en una pieza o elemento estructural es generalmente dañina porque pueden contribuir y, a menudo, son la causa principal de la falla por fatiga y el agrietamiento por corrosión bajo tensión. De hecho, las tensiones de compresión residuales inducidas de diversas formas en las capas (sub)superficiales del material suelen ser beneficiosas ya que previenen la iniciación y propagación de grietas por fatiga y aumentan la resistencia al desgaste y a la corrosión. Ejemplos de operaciones que crean tensiones dañinas incluyen soldar, mecanizar, esmerilar y tirar de varillas o alambres.
Efectos
- Las tensiones residuales creadas en las uniones soldadas reducen la dureza de las uniones, la resistencia a la rotura y la resistencia al pandeo.
- Las tensiones residuales de compresión aumentan la resistencia a la fatiga
- En un entorno agresivo, las tensiones residuales sin carga pueden provocar grietas en el metal.
2. REVISIÓN DE LA LITERATURA
CMSONSINO (1) investigó la influencia de las tensiones residuales en el comportamiento de fatiga de uniones soldadas en función de las condiciones de carga y de la geometría del cordón de soldadura. La durabilidad estructural de estructuras soldadas está determinada por la interacción de diversos parámetros influyentes, como el tipo de carga, la forma del espectro, las tensiones residuales y la geometría del cordón de soldadura, entre otros. Ejemplos de construcción de plantas, plataformas marinas, transporte y automóviles muestran la influencia que estos parámetros tienen en la vida útil y hasta qué punto se tienen en cuenta en las normas de diseño. En particular, bajo carga espectral, la tensión que reduce el efecto de las tensiones residuales de tracción no es tan alta como bajo carga de amplitud constante; Este conocimiento beneficia la construcción ligera. Las sobrecargas sólo dañaban las articulaciones con poca fuerza durante la flexión pulsante. En todos los demás casos examinados, no se observó una disminución significativa en la vida a fatiga para los aceros de baja, media y alta resistencia; Por el contrario, incluso se pudo observar una mejora significativa en la vida en fatiga. Sin embargo, no fue evidente una interacción sistemática con la resistencia del material, el tipo de carga y las tensiones residuales.
Wolfgang Fricke (2) realizó un estudio sobre el análisis de fatiga de uniones soldadas. Se revisa la literatura sobre análisis de fatiga de uniones soldadas, considerando principalmente artículos y libros publicados en los últimos 10 a 15 años. Después de una breve introducción, se cubren los diferentes enfoques para el análisis de fatiga, a saber, el enfoque de tensión nominal, el enfoque de tensión estructural o de punto caliente, el enfoque de tensión de entalla y su intensidad, el enfoque de deformación de entalla y finalmente el enfoque de propagación de grietas. Sólo se consideran las soldaduras por costura y no el comportamiento de las soldaduras por puntos, que es un área temática muy especializada. Debido a la gran cantidad de literatura relevante, algunas áreas específicas se dejan para otras revisiones o solo se abordan, p. B. Pruebas y evaluación de fatiga, carga de fatiga y efectos de amplitud variable, influencias ambientales y confiabilidad de la fatiga.
JR CHO (3) Departamento de Ingeniería Mecánica y de la Información de la Universidad Marítima de Corea del Sur llevó a cabo un estudio de tensión residual y tratamiento térmico después de soldar soldaduras de múltiples pasadas utilizando experimentos y métodos de elementos finitos.
La distribución de la tensión residual después de la soldadura y después del tratamiento térmico posterior a la soldadura se determinó mediante un análisis de elementos finitos del flujo de calor transitorio junto con un análisis termomecánico acoplado. Para verificar los resultados numéricos, se midieron las tensiones residuales superficiales de una soldadura a tope multicapa utilizando la técnica de perforación de agujeros y se compararon favorablemente con las predicciones del análisis de elementos finitos. El análisis numérico se aplicó a dos soldaduras multicapa de placas gruesas utilizadas en la construcción naval: una soldadura de ranura en K de 12 capas con chapa de 56 mm y una soldadura de ranura en V de nueve capas con chapa de 32 mm. Se encontró una tensión residual máxima de 316 MPa en la placa de 56 mm, pero ésta se redujo a 39 MPa después del tratamiento térmico posterior a la soldadura.
El Instituto Tso-Liang Teng de Ingeniería de Sistemas (4) ha investigado el efecto de las condiciones de soldadura sobre las tensiones residuales debidas a las soldaduras a tope. La soldadura por fusión es un proceso de unión en el que los metales crecen juntos fusionándolos. Debido al calentamiento local causado por el proceso de soldadura y al posterior enfriamiento rápido, pueden surgir tensiones residuales en el propio cordón de soldadura y en el material base. Las tensiones residuales atribuibles a la soldadura plantean problemas importantes en la fabricación precisa de estructuras porque estas tensiones inducen fuertemente fracturas frágiles y degradan la resistencia al pandeo de las estructuras soldadas. Por lo tanto, se considera necesario estimar la magnitud y distribución de las tensiones residuales de soldadura y caracterizar los efectos de condiciones específicas de soldadura sobre las tensiones residuales. En este trabajo, predecimos las tensiones residuales durante la soldadura por arco de una sola pasada en una placa de acero utilizando técnicas de elementos finitos ANSYS. También se discuten los efectos de la velocidad de desplazamiento, el tamaño de la muestra, las restricciones mecánicas externas y el precalentamiento sobre las tensiones residuales.
Análisis de tensiones residuales y deformaciones en soldaduras de filete de juntas en T.
Tso-Liang Teng (5) Departamento de Ingeniería Mecánica, Universidad Da Yeh.
Las soldaduras de filete de juntas en T se utilizan ampliamente en la construcción naval y en estructuras de puentes. El calentamiento local del proceso de soldadura y el enfriamiento rápido posterior provocan tensiones de tracción residuales cerca de la punta de la junta en T en las soldaduras de filete. La soldadura crea tensiones térmicas que resultan en distorsiones estructurales que afectan la resistencia al pandeo de las estructuras soldadas.
Este estudio describe el análisis elastoplástico térmico utilizando técnicas de elementos finitos para analizar el comportamiento termomecánico y evaluar las tensiones residuales y las distorsiones angulares de la junta en T en soldaduras de filete. Además, este trabajo utiliza la técnica de creación y muerte de elementos para simular la variación temporal del metal de aportación de soldadura en soldaduras de filete de juntas en T. También se discuten los efectos del espesor del ala, la profundidad de penetración de la soldadura y la restricción de la soldadura sobre las tensiones y deformaciones residuales.
Hasta ahora, se han realizado muchas investigaciones sobre el análisis de tensiones residuales en varias uniones soldadas, pero aún queda mucha investigación por hacer en uniones soldadas de acero inoxidable súper dúplex, por lo que en este paso se decide realizar pruebas residuales. Análisis de tensiones en acero inoxidable súper dúplex.
Después de una extensa investigación bibliográfica, se identificó el problema y el objetivo del proyecto es llevar a cabo un análisis de tensiones residuales en uniones soldadas de acero inoxidable súper dúplex. Para analizar las tensiones residuales que surgen en las uniones soldadas, esta investigación preparó primero uniones a tope utilizando procesos de soldadura TIG y MIG.
3. DECLARACIÓN DEL PROBLEMA
EL ESTABLECIMIENTO DE METAS
Después de una extensa literatura, se ha identificado el problema y el objetivo de la investigación es realizar un análisis de tensiones residuales desarrollado en uniones soldadas de acero inoxidable súper dúplex. Para ello, primero se preparan las uniones soldadas mediante procesos de soldadura TIG y MIG. A continuación se aplica el método XRD (difracción de rayos X) para predecir las tensiones residuales que surgen en las uniones soldadas. Luego, se realiza el método de impacto de martillo en las uniones soldadas para aliviar la tensión residual y se someten las muestras a tensiones adicionales para analizar el efecto de las tensiones residuales. A continuación se presenta toda la metodología utilizada en este trabajo.
4. EXPERIMENTOS
Se seleccionó el material, acero inoxidable súper dúplex (UNS S 32760), porque tiene numerosas aplicaciones en uniones soldadas. Las propiedades y composición del acero inoxidable súper dúplex se muestran en la siguiente tabla.
Características
- Resistencia a la tracción 730-930 MPa
- Límite elástico 550 MPa
- Estirar 25%
- Densidad 7810 kg/m3
- Dureza 290 HB
- Alta resistencia a la corrosión por picaduras y grietas
- Alta resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión.
Se preparan y sueldan 8 muestras de material de acero inoxidable súper dúplex que miden 45 mm x 66 mm x 3 mm utilizando métodos TIG y MIG.
4.1 SOLDADURA TIG
Se fabricaron 2 probetas como juntas a tope mediante soldadura con gas inerte de tungsteno. En la siguiente figura se muestra un diagrama esquemático de la soldadura TIG. La estructura utilizada y las condiciones operativas bajo las cuales se realiza la soldadura se muestran en la siguiente tabla.
Especificaciones
Condiciones de operación
MATERIAL DE RELLENO
Para la soldadura TIG se utiliza el material de relleno UNS S 332760. La composición y propiedades del material de relleno son las siguientes.
CARACTERÍSTICAS
Resistencia a la tracción 730-930 MPa Límite elástico 550 MPa Alargamiento 25% Densidad 7810 kg/m3 Dureza 290 HB Alta resistencia a la corrosión por picaduras y grietas Alta resistencia al agrietamiento por corrosión bajo tensión
COMPOSICIÓN
4.2 SOLDADURA MIG
Este proceso se basa en el principio de formación de soldadura fundiendo las superficies de contacto del metal base utilizando el calor generado por un arco de soldadura generado entre el metal base y un electrodo consumible. El arco de soldadura y el baño de soldadura están bien protegidos por un chorro de gas protector inactivo que emerge de la boquilla y forma una capa alrededor del arco y la soldadura. La soldadura MIG no se considera tan limpia como la soldadura TIG. La diferencia en la limpieza del cordón de soldadura entre la soldadura MIG y TIG se debe principalmente a la diferente eficacia del gas protector para proteger el baño de soldadura en los dos métodos mencionados anteriormente. La eficacia del blindaje en dos procesos está determinada principalmente por dos características del arco de soldadura, a saber, la estabilidad del arco de soldadura y la longitud del arco, así como por otros parámetros relacionados con la soldadura, como el tipo de gas protector, el flujo tasa del gas de protección, la distancia entre las boquillas y el precio del trabajo. El arco MIG es relativamente más largo y menos estable que el arco TIG. La diferencia en la estabilidad de dos arcos de soldadura se debe principalmente a que en la soldadura MIG se crea un arco entre el metal base y el electrodo consumible (que se consume continuamente durante la soldadura), mientras que en la soldadura TIG se crea el arco. entre el metal base y el electrodo no fundente. Electrodo de tungsteno consumible.
Especificaciones
Condiciones de operación
4.3 XRD (difracción de rayos X)
Las tensiones residuales que surgen durante la soldadura se pueden predecir mediante métodos XRD (difracción de rayos X). En este estudio, las muestras unidas durante la soldadura TIG y MIG se sometieron a una prueba XRD. La máquina utilizada para la prueba y las especificaciones se enumeran a continuación.
Los métodos de difracción para determinar la tensión residual miden básicamente los ángulos en los que se produce la intensidad máxima de difracción cuando una muestra cristalina se expone a rayos X. A partir de estos ángulos, la separación interplanar de los planos de difracción se puede determinar mediante la ley de Bragg. Cuando hay tensiones residuales en la muestra, el espaciado d es diferente al del estado sin carga. Esta diferencia es proporcional a la magnitud de la tensión residual.
HISTORIA DE LA TECNOLOGÍA XRD
A principios de 1895, W. C. Roentgen (1845-1923) descubrió que si se aceleran los electrones mediante un alto voltaje en un tubo de vacío y se los deja golpear una superficie de vidrio o metal, los minerales fluorescentes brillan a distancia y la película queda expuesta. Atribuyó estos efectos a un nuevo tipo de radiación, diferente de la radiación catódica. Se les dio el nombre de rayos X, que significa cantidad desconocida. Hoy en día, los rayos X se producen de forma similar a los rayos X.
Los rayos X se producen de forma tradicional: acelerando electrones a alto voltaje y haciéndolos chocar con un objetivo metálico. Los electrones se producen calentando un cátodo caliente de tungsteno en el vacío. El cátodo tiene un potencial negativo alto y los electrones se aceleran hacia el ánodo, que está en potencial de tierra. Luego, los electrones golpean el ánodo a muy alta velocidad. La pérdida de energía debida al impacto se nota en forma de rayos X.
Absorción de rayos X
Los rayos X se atenúan a medida que atraviesan la materia, por lo que el haz transmitido es más débil que el haz incidente. Muchos procesos diferentes conducen a una reducción del haz incidente. Estos incluyen, entre otros, dispersión (coherente e incoherente), generación de calor o excitación de fotoelectrones, etc. La pérdida total de intensidad se denomina absorción. La atenuación relacionada con el espesor de una placa infinitesimal viene dada por la relación.
Dispersión de rayos X
Cuando un rayo X incide sobre la muestra, los fotones chocan con los electrones y se dispersan en diferentes direcciones. Hay dos tipos de colisiones. El primer tipo es elástico y el segundo es inelástico. Lo primero ocurre cuando los rayos X chocan con los electrones que están estrechamente unidos al núcleo (generalmente los electrones orbitales internos). No hay transferencia de momento entre el fotón y el electrón, lo que significa que el fotón dispersado tiene la misma energía y longitud de onda después de la colisión. Este tipo de dispersión se denomina dispersión coherente (Figura 2.3). Por otro lado, en una colisión inelástica hay una transferencia de momento 14 veces mayor del fotón al electrón. Debido a esta transferencia de impulso, el fotón pierde energía y tiene una longitud de onda más larga. En el primero existe una conexión entre las fases del incidente y los rayos X dispersos, mientras que en el segundo no es así. Esta última se denomina dispersión modificada de Compton o dispersión incoherente. En ambos casos los fotones se dispersan en todas direcciones.
4.4 Voladura con martillo
El granallado implica tratar la superficie de un metal para mejorar sus propiedades materiales. Esto suele realizarse mediante medios mecánicos, como golpes de martillo, granallado o rayos de luz en el caso de granallado con láser. El granallado suele ser un proceso de trabajo en frío, siendo el granallado con láser una excepción notable. Tiende a expandir la superficie del metal frío, creando así tensiones de compresión o aliviando tensiones de tracción preexistentes. La voladura también puede promover el endurecimiento por trabajo de la superficie del metal.
4.5 PRUEBA DE DUREZA
La prueba de dureza es una prueba mecánica realizada para predecir la dureza del material de modo que pueda usarse para diseño de ingeniería, análisis estructural y desarrollo de materiales. El objetivo principal de las pruebas de dureza es determinar la idoneidad de un material para una aplicación particular o el tratamiento particular al que se ha sometido el material. La facilidad para realizar pruebas de dureza lo ha convertido en el método de prueba más común para metales y aleaciones.
INTRODUCCIÓN
La dureza se define como la resistencia de un material a la deformación permanente, como muescas, desgaste, abrasión y rayones. La importancia de las pruebas de dureza está esencialmente relacionada con la relación entre la dureza y otras propiedades del material. Por ejemplo, tanto la prueba de dureza como la prueba de tracción miden la resistencia de un metal al flujo plástico y los resultados de estas pruebas pueden ser muy similares. Se prefiere la prueba de dureza porque es simple, fácil y relativamente no destructiva. Actualmente se están realizando muchas pruebas de dureza. La necesidad de realizar todas estas diferentes pruebas de dureza surge de la necesidad de categorizar la amplia gama de durezas, desde caucho blando hasta cerámica dura.
Prueba de dureza Rockwell
En el método de prueba de dureza Rockwell, el material de prueba se indenta con un cono de diamante o un penetrador hecho de una bola de acero endurecido. El penetrador se presiona en el material de prueba bajo una carga preliminar baja de 15, generalmente 10 kgf. Cuando se alcanza el equilibrio, se coloca en una posición de referencia un dispositivo de visualización que sigue los movimientos del penetrador y responde así a los cambios en la profundidad de penetración del penetrador. Mientras todavía se aplica la pequeña carga preliminar, se aplica una carga grande adicional, lo que da como resultado un aumento en la profundidad de penetración. Cuando se alcanza nuevamente el equilibrio, se elimina la carga mayor adicional, pero aún se retiene la carga menor temporal. La eliminación de la carga principal adicional permite una recuperación parcial, reduciendo así la profundidad de penetración. Para calcular el número de dureza Rockwell, se utiliza el aumento permanente en la profundidad de penetración causado por la aplicación y eliminación de la carga principal adicional.
Ensayo realizado sobre muestras soldadas.
Especificaciones
Condiciones de operación
4.6 TRATAMIENTO TÉRMICO
El tratamiento térmico es un grupo de procesos industriales y metalúrgicos que cambian las propiedades físicas y, a veces, químicas de un material. La aplicación más común es la metalurgia. Los tratamientos térmicos también se utilizan en la producción de muchos otros materiales, como el vidrio. El tratamiento térmico implica el uso de calentamiento o enfriamiento, generalmente a temperaturas extremas, para lograr el resultado deseado, como por ejemplo: B. endurecer o ablandar un material. Las técnicas de tratamiento térmico incluyen recocido, endurecimiento por cementación, endurecimiento por precipitación, revenido, carburación, normalización y enfriamiento rápido. Cabe señalar que, aunque el término «tratamiento térmico» sólo se refiere a procesos en los que el calentamiento y el enfriamiento se llevan a cabo específicamente con el objetivo de cambiar específicamente las propiedades, el calentamiento y el enfriamiento a menudo ocurren incidentalmente a otros procesos de fabricación, como el conformado en caliente o la soldadura. Las tensiones internas restantes se reducen después del tratamiento térmico.
Condiciones de operación
5. RESULTADOS Y DISCUSIONES
XRD (difracción de rayos X)
Antes del granallado de la soldadura TIG
Después del granallado soldadura TIG
Antes del granallado de la soldadura MIG
Después del granallado soldadura MIG
Cálculos de tensión residual.
Resultados de la prueba de dureza
Se llevó a cabo una prueba de dureza en las muestras y los resultados se obtuvieron de la siguiente manera antes del tratamiento térmico.
Se observó que la dureza fue mayor en las muestras donde las tensiones residuales fueron menores, y se puede concluir que las tensiones residuales reducen la dureza de las uniones soldadas. El gráfico muestra la dureza del material en diferentes puntos de la conexión.
El valor medio de dureza antes del granallado es de 26,32 HRC.
El valor medio de dureza tras el granallado es de 43 HRC.
El valor medio de dureza antes del granallado es de 26,34 HRC.
El valor medio de dureza después del granallado es de 46,77 HRC.
El valor medio de dureza antes del granallado es de 21,04 HRC.
El valor medio de dureza tras el granallado es de 24,86 HRC.
El valor medio de dureza antes del granallado es de 25,04 HRC.
El valor medio de dureza tras el granallado es de 33,86 HRC.
6. CONCLUSIÓN
Esta investigación investiga e investiga las tensiones residuales en uniones soldadas TIG y MIG. Las conclusiones de la investigación son las siguientes.
- Utilizando el método XRD, las tensiones residuales desarrolladas antes y después del granallado fueron de 357 MPa y 194 MPa para soldadura TIG y de 246 MPa y 199 MPa para soldadura MIG.
- Las tensiones internas reducen la dureza de las uniones soldadas. ● El granallado con martillo después de la soldadura reduce las tensiones residuales creadas durante la soldadura.
- La dureza del material después del granallado aumenta tanto en uniones soldadas TIG como MIG.
- Las tensiones residuales después del granallado se reducen tanto en uniones soldadas TIG como MIG.
- La vida útil de las conexiones soldadas aumenta.
Alcance para el trabajo futuro
También se pueden realizar más evaluaciones de las propiedades mecánicas de ambas soldaduras y podemos determinar las propiedades así como su comportamiento y resistencia a aplicaciones de agua de mar. También se puede realizar un análisis FEM para ambas uniones soldadas y se pueden comparar ambos resultados de las uniones soldadas.
Palabras clave: análisis de tensiones residuales, análisis de tensiones residuales de una unión soldada. Análisis de tensiones residuales mediante XRD.
Aproximación al análisis de tensiones residuales en juntas soldadas de acero inoxidable super duplex utilizando XRD
Resumen
La soldadura es el proceso de unir dos o más metales similares o diferentes y encuentra una amplia gama de aplicaciones industriales en la aeroespacial, naval, estructural, etc. Durante la soldadura se forman tensiones residuales debido a las contracciones diferenciales que ocurren a medida que el metal de soldadura se solidifica y se enfría a temperatura ambiente. Las tensiones residuales tienen un efecto severo en las juntas soldadas, ya que disminuyen la vida útil y las propiedades del material.
Esta investigación se centra en el análisis de las tensiones residuales de las juntas soldadas para el acero inoxidable super duplex UNS S32760. Con el fin de analizar el efecto de las tensiones residuales, se realizaron 8 juntas soldadas de acero inoxidable super duplex utilizando los métodos de soldadura TIG y MIG, y se realizó una difracción de rayos X (XRD) en las juntas. El alcance del proyecto también incluye una investigación sobre cómo aliviar las tensiones residuales inducidas en las juntas soldadas mediante diferentes enfoques. Uno de los métodos es el granallado. Se analizaron diferentes métodos de granallado y se seleccionó el más apropiado. También se analizó el efecto adicional de las tensiones residuales en las propiedades mecánicas de las juntas soldadas antes y después del granallado.
La dureza de las muestras (juntas soldadas) mejoró al aliviar las tensiones residuales utilizando el granallado con martillo.
Introducción
La soldadura es el proceso de unir dos componentes metálicos similares o diferentes mediante la aplicación de calor, con o sin aplicación de presión y con o sin el uso de metal de aporte. El calor puede ser obtenido mediante una reacción química, arco eléctrico, resistencia eléctrica, calentamiento por fricción, energía sonora o energía luminosa. Si no se utiliza metal de aporte durante la soldadura, se denomina «proceso de soldadura autógena». La soldadura desempeña un papel importante en la construcción de tanques de transporte para transportar petróleo, agua, leche, y en la fabricación de tubos soldados, cadenas, cilindros de gas licuado de petróleo (GLP) y otros elementos. El mobiliario de acero, las puertas y marcos de puertas, los cuerpos y otras partes de electrodomésticos como refrigeradores, lavadoras, hornos de microondas y muchos otros elementos de aplicaciones generales se fabrican mediante soldadura. Algunas de las aplicaciones de las juntas soldadas se muestran a continuación.
- Recipientes a presión: uno de los primeros usos importantes de la soldadura fue en la fabricación de recipientes a presión. La soldadura permitió aumentar considerablemente las temperaturas y presiones de operación en comparación con los recipientes a presión remachados.
- Puentes: el uso temprano de la soldadura en la construcción de puentes se llevó a cabo en Australia debido a problemas en el transporte de tramos remachados completos o máquinas de remachado pesadas necesarias para la fabricación en lugares remotos. El primer puente completamente soldado se erigió en el Reino Unido en 1934. Desde entonces, los puentes completamente soldados se han erigido de manera muy común y exitosa.
- Construcción naval: los barcos se producían antes mediante remachado. Se utilizaron más de diez millones de remaches en el barco «Queen Mary», que requería habilidades y una organización masiva para remachar, pero la soldadura habría permitido la mano de obra semiespecializada / no calificada y el principio de prefabricación. La soldadura encontró su lugar en la construcción naval alrededor de 1920 y actualmente se utilizan ampliamente barcos completamente soldados. Del mismo modo, los submarinos también se producen mediante soldadura.
- Structuras de construcción: la soldadura por arco se utiliza para la construcción de edificios de acero, lo que lleva a un ahorro considerable en acero y dinero. Además de los edificios, las estructuras enormes como torres de acero también requieren soldadura para la fabricación.
- Aeronaves y naves espaciales: al igual que los barcos, las aeronaves se producían mediante remachado en los primeros días, pero con la introducción de los motores a reacción, se utiliza ampliamente la soldadura para la estructura de las aeronaves y para unir la lámina de la carcasa al cuerpo. Los vehículos espaciales, que deben enfrentar calor por fricción, así como bajas temperaturas, requieren una carcasa externa y otras partes de materiales especiales. Estos materiales se sueldan con pleno éxito para lograr seguridad y confiabilidad.
- Ferrocarriles: los ferrocarriles utilizan ampliamente la soldadura para la fabricación de vagones y coches de ferrocarril, neumáticos de ruedas, colocación de nuevas vías férreas mediante máquinas móviles de soldadura por flash y reparación de vías agrietadas o dañadas mediante soldadura con termita.
- Automóviles: la producción de componentes automotrices como chasis, carrocería y su estructura, depósitos de combustible y unión de bisagras de puertas requieren soldadura.
- Industria eléctrica: desde la generación hasta la distribución y utilización de la energía eléctrica, la soldadura desempeña un papel importante. Los componentes del sistema de generación de energía hidroeléctrica y de vapor, como las tuberías forzadas, las compuertas de control de agua, los condensadores, las torres de transmisión eléctrica y los equipos del sistema de distribución, se fabrican mediante soldadura. También se sueldan las palas de las turbinas y las aletas de enfriamiento.
- Industria electrónica: la industria electrónica utiliza la soldadura en menor medida, como para unir los cables de los transistores especiales, pero se utilizan ampliamente otros procesos de unión como el soldado fuerte y el soldado con estaño. La soldadura con estaño se utiliza para unir componentes electrónicos a placas de circuito impreso. La soldadura robótica es muy común para la unión de piezas a placas de circuito impreso de computadoras, televisores, equipos de comunicación y otros equipos de control, etc.
- Instalaciones nucleares: las esferas para el reactor nuclear, las curvas de tuberías que unen dos tubos que transportan agua pesada y otros componentes requieren soldadura para operaciones seguras y confiables.
- Industria de defensa: la industria de defensa requiere soldadura para unir muchos componentes de equipos de guerra. La fabricación de carrocerías de tanques, la unión de la torreta al cuerpo principal de los tanques son ejemplos típicos de aplicaciones de soldadura.
- Microsoldadura: se utilizan procesos como la microplasma, la ultrasonido, la soldadura láser y la soldadura por haz de electrones para unir alambres delgados entre sí, láminas entre sí y láminas a alambres, como la producción de uniones de termopares, galgas extensiométricas para conductores de alambre, etc.
Además de las aplicaciones mencionadas anteriormente, la soldadura también se utiliza para unir tuberías durante la instalación de oleoductos y gasoductos de petróleo crudo y gas, y para la construcción de tanques para su almacenamiento y transporte. Las estructuras marinas, los astilleros, las grúas de carga y descarga también se producen mediante soldadura.
Importancia de las juntas soldadas
La soldadura juega un papel importante ya que proporciona resistencia adecuada a las juntas. Pero durante el proceso de soldadura se forman tensiones residuales dentro de la junta y afectan las propiedades mecánicas de las juntas soldadas. La soldadura realizada de manera organizada proporcionará juntas herméticas.
Supongamos que el objetivo es unir las placas en configuración de junta a tope. En este punto, la junta remachada o unida con pernos no tiene utilidad, incluso si se unen las copas de respaldo y aún así no se obtiene la resistencia requerida. En este punto, la soldadura es la forma óptima de unión. Una junta de soldadura adecuada proporciona resistencia superior a la del material base.
Otros ejemplos de aplicaciones de juntas soldadas incluyen:
– Ingeniería aeroespacial
– Trenes y vagones ferroviarios
– Industria automotriz y proveedores de autopartes
– Electrónica y eléctrica
– Hardware doméstico
– Radiadores y contenedores
– Instrumentos y suministros médicos
– Equipos nucleares
– Industria de alimentos y bebidas
Tensiones residuales en juntas soldadas
Las tensiones residuales son el estrés que existe dentro de un material sin la aplicación de una carga externa, o se puede describir como el estrés que permanece en un cuerpo que está estacionario y en equilibrio con su entorno.
La soldadura es un proceso de producción vital para la industria, pero genera tensiones residuales a un nivel notable. Se forman en la estructura como resultado de las contracciones diferenciales que ocurren a medida que el metal de soldadura se solidifica y se enfría a temperatura ambiente. De hecho, la soldadura introduce un alto aporte de calor al material que se está soldando. Como resultado de esto, se producen distribuciones de calor no uniformes, deformaciones plásticas y transformaciones de fase en el material. Estos cambios generan diferentes patrones de tensiones residuales para la región de soldadura y en la zona afectada por el calor (ZAC, por sus siglas en inglés). Cada mecanismo generador de estrés tiene sus propios efectos en la distribución de tensiones residuales, como se muestra en la Figura 1.4. Las tensiones residuales inducidas por la contracción de la región fundida suelen ser tensiles. Se forman tensiones residuales compresivas en las áreas transformadas cuando el efecto de las transformaciones de fase es dominante.
Causas de las tensiones residuales
Las tensiones residuales se generan durante la mayoría de los procesos de fabricación que involucran la deformación del material, el tratamiento térmico, el mecanizado o las operaciones de procesamiento que transforman la forma o cambian las propiedades de un material. Pueden originarse a partir de varias fuentes y pueden estar presentes en el material en bruto sin procesar, introducirse durante la fabricación o surgir de la carga en servicio. Es posible clasificar el origen de las tensiones residuales de la siguiente manera:
– Flujo plástico diferencial
– Tasas de enfriamiento diferenciales
– Transformaciones de fase con cambios de volumen, etc.
Por ejemplo, la presencia de tensiones residuales tensiles en una pieza o elemento estructural generalmente es perjudicial, ya que puede contribuir y, a menudo, es la principal causa de fallos por fatiga y corrosión bajo tensión. De hecho, las tensiones residuales compresivas inducidas de diferentes maneras en las capas (sub)superficiales del material suelen ser beneficiosas, ya que previenen la aparición y propagación de grietas por fatiga, y aumentan la resistencia al desgaste y a la corrosión. Ejemplos de operaciones que producen tensiones perjudiciales son la soldadura, el mecanizado, el rectificado y la extracción o estirado de barras o alambres.
Resultado y discusión
El análisis de rayos X (XRD) se utilizó para predecir las tensiones residuales desarrolladas en las juntas soldadas antes y después de aplicar el granallado. Los resultados de las pruebas de dureza mostraron que el granallado con martillo mejoró la dureza de las muestras soldadas. Además, se observó una disminución en las tensiones residuales después del granallado y las pruebas de dureza.
El estudio demostró que las tensiones residuales afectan la dureza de las juntas soldadas. El granallado con martillo se mostró efectivo para aliviar las tensiones residuales y mejorar la dureza de las muestras.
Conclusiones
En este estudio, se realizó un análisis de las tensiones residuales desarrolladas en juntas soldadas de acero inoxidable super duplex. Las principales conclusiones del estudio son las siguientes:
– Utilizando el método de difracción de rayos X (XRD), se determinaron las tensiones residuales desarrolladas antes y después del granallado. Se observó una disminución significativa en las tensiones residuales después del granallado.
– Los resultados del análisis de dureza mostraron que el granallado con martillo mejoró la dureza de las muestras soldadas.
– Las tensiones residuales tienen un impacto significativo en la dureza de las juntas soldadas. Las muestras con tensiones residuales más bajas mostraron una dureza mejorada.
– El uso de Tungsten inert gas (TIG) y Metal inert gas (MIG) para la soldadura de las juntas produjo resultados similares en cuanto a las tensiones residuales desarrolladas.
En conclusión, el granallado con martillo es un método efectivo para aliviar las tensiones residuales y mejorar la dureza de las juntas soldadas de acero inoxidable super duplex.
Referencias
– «Residual stress analysis of super duplex stainless steel welded joint using XRD.» Prasad K., extrudesign.com. URL: [https://extrudesign.com/residual-stress-analysis-of-a-welded-joint-using-the-xrd/](https://extrudesign.com/residual-stress-analysis-of-a-welded-joint-using-the-xrd/)
– «Welding Applications and Advantages.» Brighthubengineering.com. URL: [https://www.brighthubengineering.com/welding-technology/60671-welding-applications-and-advantages/](https://www.brighthubengineering.com/welding-technology/60671-welding-applications-and-advantages/)
– «Residual stress.» Wikipedia. URL: [https://en.wikipedia.org/wiki/Residual_stress](https://en.wikipedia.org/wiki/Residual_stress)
– «Hardness Testing.» Twi-global.com. URL: [https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-013](https://www.twi-global.com/technical-knowledge/job-knowledge/hardness-testing-013)