Tensiones Residuales en Soldadura: Informe Universitario

Universidad Autónoma Gabriel Rene Moreno
Facultad De Ciencias Exactas y Tecnología
Tensiones Residuales en la soldadura
(1ra Parte)
Integrantes:
Holguin Gastañaga Marcelo
Guzman Huayta Andre Leandro
Guzman Diaz Joel Ricardo
Orellana Delgadillo Keren Eunice
Villaroel Vasquez Luis Fernando
Materia:
MEC 282 – E1
Carrera:
Ing. Electromecánica
Docente:
Ing. Marcelo Gonzales Tambosi
Semestre:
1-2025
Santa Cruz – Bolivia
TENSIONES RESIDUALES
1. INTRODUCCION
1.1 Concepto
Las tensiones residuales en la soldadura son tensiones que permanecen en el
material después de soldarlo, incluso sin cargas externas. También se les conoce
como tensiones internas.
En el contexto de las tensiones residuales, el "estrés" hace referencia a las fuerzas
internas que actúan dentro de un material sin que exista una carga externa aplicada.
Estas tensiones se generan debido al proceso de soldadura, donde el material
experimenta expansión y contracción desigual a medida que se calienta y enfría.
Estas tensiones internas se consideran "estrés" porque el material está en un estado
de esfuerzo constante, lo que puede debilitarlo con el tiempo y hacerlo susceptible
a grietas, deformaciones o fallos estructurales. Aunque no hay una carga externa,
el material sigue "estresado" por las fuerzas internas restantes.
Las tensiones residuales de soldadura se clasifican de la siguiente manera:
1. Según la causa del estrés

Estrés térmico: la soldadura es un proceso de calefacción y enfriamiento
desiguales. La tensión dentro de la soldadura es causada principalmente por
la diferencia de calentamiento y temperatura desigual, que se llama estrés
térmico, también conocido como estrés por temperatura.

Estrés de restricción: el estrés causado principalmente por la estructura
misma o por la restricción externa se llama estrés de restricción.

Tensión de transformación de fase: el estrés causado principalmente por
la transformación de microestructura desigual en el área de la articulación
soldada se llama estrés por transformación de fase, también conocido como
estrés por microestructura.

Estrés concentrado inducido por hidrógeno: el estrés causado
principalmente por la acumulación de hidrógeno difusible a los defectos
microscópicos se denomina estrés concentrado inducido por hidrógeno.
Entre estas cuatro tensiones residuales, el estrés térmico es dominante. Por lo tanto,
de acuerdo con las causas del estrés, se puede dividir en dos categorías: estrés
térmico (estrés de temperatura) y estrés de transformación de fase (estrés tisular).
2. Según la dirección del estrés en el espacio
Se puede dividir en estrés unidireccional, estrés bidireccional y estrés de tres
vías
a) Estrés unidireccional: la tensión existente en una dirección en la soldadura
se llama estrés unidireccional, también conocido como estrés de línea. Por
ejemplo, las soldaduras a tope de las láminas soldadas y la tensión generada
al surgir en la superficie de la soldadura.
b) Estrés bidireccional: el estrés que actúa en dos direcciones mutuamente
perpendiculares en un plano de la soldadura se llama estrés bidireccional,
también conocido como estrés plano. Por lo general, ocurre en estructuras
soldadas de placas medianas y pesadas con un grosor de 15-20 mm.
c) Estrés de tres vías: el estrés que actúa en tres direcciones perpendiculares
entre sí en la soldadura se llama estrés de tres vías, también conocido como
estrés por volumen. Por ejemplo, la tensión en la intersección de la soldadura
a tope de la placa gruesa soldada y las soldaduras en tres direcciones
perpendiculares entre sí.
La expansión del volumen y
la contracción del metal
cuando se calienta y enfría
son en tres direcciones, por
lo que, por lo que habla
estrictamente,
el
estrés
residual generado en la
soldadura siempre es un
estrés de tres vías. Pero cuando el valor de estrés en una o dos direcciones es muy
pequeño y puede ignorarse, puede considerarse como estrés bidireccional o estrés
unidireccional, y lo anterior es el caso del tipo de estrés residual de soldadura.
En el proceso de producción de tuberías soldadas, el acero de la tira debe ser
extruido, doblado, formado y soldado. Definitivamente habrá estrés durante ese
tiempo. Para obtener tuberías soldadas industriales con un rendimiento superior,
estas tensiones deben ser eliminadas. Al mismo tiempo, teniendo en cuenta la
presión de costo a largo plazo, es necesario encontrar una forma eficiente y de
ahorro de energía. Hangao Tech (maquinaria Seko) La máquina de calentador de
inducción de recocido brillante que ahorra energía de un solo tubo no solo puede
eliminar el estrés generado durante el proceso de formación de tubos soldados, sino
que también tiene las características del ahorro de energía y la protección del medio
ambiente. En comparación con productos similares, la utilización efectiva de la
energía es 20% -30% más alta. El sistema de circulación de agua de enfriamiento
puede realizar el reciclaje de los recursos hídricos y controlar efectivamente el costo
a largo plazo.
1.2 ¿En que influyen las
tensiones residuales?




Influye sobre distintos tipos de fisuración en
los procesos de soldadura (Por ejemplo
fisuración asistida por hidrogeno)
Afecta negativamente en los mecanismos
de corrosión bajo tensiones.
Disminuye la vida a la fatiga de
componentes
sometidos
a
ciclos
térmicos/Mecánicos.
Disminución de la resistencia a la fractura
frágil de un componente soldado
(Principalmente en componentes de gran
espesor)
1.3
¿Por qué es importante conocer su valor?
Los fallos estructurales provocados por tensiones residuales suelen ocurrir en
situaciones donde estas tensiones superan los límites del material o agravan otros
factores de estrés.
1. Grietas por fatiga en puentes soldados: En infraestructuras como puentes
de acero, las tensiones residuales en las uniones soldadas pueden acelerar
el proceso de fatiga. Esto ha llevado al desarrollo de grietas que, si no se
detectan a tiempo, pueden comprometer seriamente la integridad estructural.
2. Deformaciones en recipientes a presión: Recipientes soldados utilizados
en la industria petroquímica o nuclear pueden deformarse debido a tensiones
residuales. Esto puede causar fallos en el sellado, fugas o incluso rupturas
catastróficas bajo condiciones de operación.
3. Fracturas en aeronaves: Las tensiones residuales en componentes
soldados de aviones, como los bastidores o las alas, han causado grietas por
estrés. En algunos casos históricos, estos fallos contribuyeron a accidentes
aéreos.
4. Agrietamiento en tuberías de transporte: En tuberías usadas para el
transporte de gas o petróleo, las tensiones residuales combinadas con
entornos corrosivos han provocado grietas y fugas, con consecuencias
económicas y ambientales graves.
5. Fallos en piezas automotrices: Partes soldadas de vehículos, como chasis
o sistemas de escape, pueden sufrir fracturas debido a tensiones residuales
mal controladas, especialmente bajo condiciones de alta vibración.
1.4
Medición de tensiones Residuales
Para medir las tensiones
residuales
en
soldaduras, se pueden
emplear
diferentes
ensayos
mecánicos
que varían en términos
de precisión y en si son
destructivos,
semidestructivos o no
destructivos. Aquí tienes
algunos
métodos
destacados:
1. Método del alivio de deformaciones mediante perforación:
Este ensayo implica realizar una pequeña perforación en el material y
medir las deformaciones alrededor de la perforación. Es semidestructivo
y útil para determinar las tensiones en profundidad.
2. Corte en ranuras:
o Se realiza un corte o una ranura en el material para liberar las tensiones
residuales. Luego, se mide el cambio en forma o deformación del
material. Es destructivo pero efectivo.
3. Método de tensometría:
o Se colocan tensómetros sobre la superficie del material para medir las
deformaciones cuando se someten a cargas. Es útil para evaluar
tensiones en la superficie.
4. Método ultrasónico:
o Utiliza ondas ultrasónicas para evaluar las tensiones residuales
basándose en las variaciones en la velocidad de propagación de las
ondas dentro del material. Es no destructivo y adecuado para
soldaduras.
o
1.5 Distorsión:
Son
deformaciones
o
modificaciones en la geometría
que se producen en las piezas
durante la soldadura.
La distorsión es consecuencia de
las tensiones mecánicas que se
generan en las piezas como
resultado de los ciclos térmicos
impuestos por la soldadura.
De esta forma, la distorsión está
directamente vinculada a las
tensiones residuales.




Las tensiones residuales
son autoequilibrantes.
La máxima tensión
residual es la de tracción
en dirección longitudinal al
cordón de la soldadura.
En aceros de baja y media resistencia, esta tensión puede lograr a ser igual
a la tensión de fluencia del material.
Puede ocurrir cierto grado de deformación plástica en el metal de soldadura
y adyacencia.

La tensión residual máxima en la dirección transversal es aproximadamente
50% menor que la máxima longitudinal.
Los procesos de distorsión en la soldadura se generan precisamente por la
intensidad de calor generado
por la fuente de energía y por la
naturaleza del procesos.
El calor aplicado en la zona de
soldadura, genera esfuerzos
heterogéneos debido a los
procesos de expansión y
contracción
que
ocurren
durante la actividad de unión o
de recargue, incluso de corte.
Estos esfuerzos ocurren tanto
en la zona de soldadura como
en la zona aledaña a esta,
teniendo diferentes direcciones
y magnitudes.
Algunos tipos de distorsión, son la distorsión por contracción, la deformación
angular, la distorsión rotacional y distorsión de pandeo. Todas estas tiene
características muy similares, se diferencian en el cambio de geometría, en el tipo
de junta en la cual se presenta la distorsión, en el tipo de “amarres” que tenga los
elementos a ser soldados; los cuales pueden ser por disposición de trabajo (fijos) o
removibles.
a) Distorsión por contracción.
Se puede decir que técnicamente en
cualquier tipo de junta soldada, se
presentara distorsión por contracción,
pero esta se hace más evidente en
juntas de platinas a tope. Esta ocurre en
el momento de perdida de calor possoldadura y la distorsión se genera tanto
en dirección longitudinal (paralela a la
línea de soldadura) y distorsión
transversal (perpendicular a la línea de
soldadura).
La distorsión por contracción o la acción de la distorsión por contracción, se da en
una mayor proporción en el elemento soldado, que en la junta de soldadura.
Además, la distorsión transversal normalmente es más alta que la distorsión
longitudinal.
b) Distorsión Rotacional
La distorsión rotacional normalmente
se da en junta a tope, debido a la falta
de regularidad térmica a lo largo de la
junta. Se puede dar por el uso de
corrientes inadecuadas con respecto
al material base, por lo general con
corrientes bajas y velocidades de
avance bajas. También puede ocurrir
en materiales con alta conducción
térmica, como por ejemplo el
aluminio. Se evidencia por el cierre de
la junta al paso del calor, la parte por
la cual aún no ha pasado el charco de
soldadura tiene a cerrarse, suponiendo que se dejó distancia entre los dos
elementos a ser unidos.
c) Distorsión o deformación angular.
La distorsión angular también se presenta por la entrada de calor heterogénea que
se da en los procesos de soldadura.
Se da en la concentración de calor
en un punto, lo que hace que se
vuelva más plástico y se genera una
mayor distorsión, produciendo que la
parte que baja en temperatura traté
de girar sobre la zona de soldadura.
Se da tanto en juntas a tope como en
juntas a filete. Se presenta con
mayor medida en láminas de
espesores grandes y en especial en
las que no se realiza ningún tipo de
bisel.
d) Distorsión de pandeo.
Normalmente ocurre en láminas de
espesores delgados, y se da por la
pérdida de estabilidad geométrica de
los componentes durante el proceso
de soldadura. Cabe aclarar que un
mismo componente se puede y se
dan diferentes tipos de distorsión.
Continuaremos hablando de los
fenómenos mecánicos que ocurren
en los procesos de soldadura,
profundizando en sus naturaleza, los
mecanismos que hacen posibles
estos procesos y como disminuir su efecto en las actividades de soldadura.
1.6 Mecanismos de formación de las tensiones
residuales
Las tensiones residuales en la soldadura se originan principalmente debido a las
interacciones térmicas y mecánicas durante el proceso. Aquí te explico los
mecanismos fundamentales:
1. Expansión y contracción térmica: El metal se calienta rápidamente durante
la soldadura, lo que provoca su expansión. Al enfriarse, se contrae. Sin
embargo, las áreas adyacentes que no se calientan de manera uniforme
restringen este movimiento, generando tensiones internas.
2. Deformación plástica: Cuando el material alcanza temperaturas elevadas,
puede deformarse plásticamente en la zona soldada. Al enfriarse, estas
deformaciones quedan "atrapadas", creando tensiones residuales.
3. Gradientes térmicos: La diferencia de temperatura entre la zona fundida, la
zona afectada por el calor (ZAT) y el material base genera gradientes
térmicos, que son una de las principales fuentes de tensiones.
4. Restricción de movimiento: Si la estructura está parcialmente fija o
restringida durante el proceso, las tensiones generadas por el enfriamiento
no pueden liberarse de manera uniforme, lo que resulta en tensiones
residuales permanentes.
5. Transformaciones metalúrgicas: En materiales como el acero, las
transformaciones de fase inducidas por el calor (como de austenita a
martensita) también contribuyen significativamente al desarrollo de tensiones
residuales debido a los cambios de volumen asociados con estas
transformaciones.
2. TIPOS DE TENSIONES RESIDUALES
2.1 Definiciones

Esfuerzos residuales y distorsión:
El proceso de soldadura induce un calentamiento localizado e intenso seguido de
un enfriamiento rápido, lo que provoca una expansión y contracción térmica no
uniforme. Estos ciclos térmicos provocan tensiones residuales y distorsiones en la
estructura soldada. Estos problemas no sólo comprometen la precisión dimensional
y la calidad estética, sino que también complican las operaciones posteriores a la
soldadura. En los casos más graves, la integridad estructural global y la capacidad
de carga pueden verse significativamente afectadas.







 Consecuencias Prácticas
Distorsión geométrica: El bastidor se curva o pandea.
Fisuras: Si las tensiones superan la resistencia del material.
Fatiga acelerada: En ciclos de carga dinámica.
Fractura frágil: Especialmente en aceros de alta resistencia o en condiciones de
baja temperatura.
Fractura por fatiga: Iniciación y propagación acelerada de grietas bajo cargas
cíclicas.
Agrietamiento por corrosión bajo tensión: Mayor susceptibilidad en ambientes
corrosivos
Pandeo e inestabilidad: Especialmente en estructuras de paredes delgadas o
componentes sometidos a compresión.

Definición de tensiones residuales:
Son esfuerzos internos que permanecen en un material sin aplicación de cargas
externas, generados durante procesos como soldadura debido a ciclos térmicos no
uniformes.
Las tensiones residuales en la soldadura se pueden clasificar en tensiones directas
o localizadas y tensiones de reacción o generalizadas, dependiendo de cómo se
distribuyen en la estructura y su origen
2.2 Tensiones directas o localizadas y de reacción o
generalizada
a) Tensiones Directas o Localizadas
Origen:


Concentradas en la zona afectada por el calor (ZAC) y sus alrededores
inmediatos.
Causadas
por
gradientes
térmicos
bruscos
durante
el
calentamiento/enfriamiento.
Son aquellas que se generan en la zona afectada térmicamente (ZAT) y en el
material de aporte debido al enfriamiento desigual del metal soldado.
Características:
Se concentran en la zona de la soldadura y sus alrededores.
Son producto de la dilatación y contracción del metal al calentarse y enfriarse.
Pueden generar fisuras, especialmente si el material es frágil o si hay impurezas en
la soldadura.
Ejemplo:
En una soldadura en chapa delgada, se pueden generar tensiones localizadas que
causan deformaciones como alabeo o distorsión en la zona cercana al cordón de
soldadura.
b) Tensiones de Reacción o Generalizadas
Origen:
Surgen por restricciones externas (ej.: sujeción de piezas durante la soldadura) o
geometrías complejas.
Dependen de la rigidez del conjunto soldado.
Son aquellas que se generan en toda la estructura o en una gran parte de ella
debido a restricciones externas o internas que impiden la libre deformación del
material durante la solidificación.
Características:
 Se distribuyen a lo largo de la estructura, no solo en la zona soldada.
 Ocurren cuando la pieza soldada está restringida y no puede expandirse o
contraerse libremente.
 Pueden generar grandes deformaciones en la estructura completa o
provocar fallas a largo plazo.
Ejemplo:
En la soldadura de una viga estructural en un puente, las tensiones de reacción
pueden extenderse a toda la estructura si los elementos soldados no tienen la
libertad de expandirse o contraerse durante el proceso de enfriamiento.
Tensiones por restricción externa: En estructuras rígidamente fijadas, donde la
contracción genera esfuerzos de tracción/compresión en toda la pieza.
Tensiones de montaje: En ensamblajes soldados donde múltiples componentes
interactúan.
Evitar por completo las tensiones residuales en la soldadura es muy difícil, pero sí
se pueden reducir o controlar con buenas prácticas antes, durante y después del
proceso de soldadura. Aquí te dejo varias formas efectivas de minimizar las
tensiones residuales
2.3 Diferencias claves
3. FACTORES QUE INFLUYEN EN LA FORMACION
DE TENSIONES RESIDUALES
Diachos factores que influyen en las tensiones son: La Temperatura; La Geometría
de la pieza; La Energía Aportada; La Técnica Operativa; El volumen de Aportación
y el Grado de Embridamiento
3.1 Temperatura
3.2 Geometria de la pieza
3.3 Energía Aportada
Uno de los parámetros fundamentales para analizar la calidad de la soldadura es el aporte térmico
(Heat Input), es decir, la cantidad de calor que libera el arco, ya que influye en la razón de
enfriamiento del proceso afectando tanto a las propiedades mecánicas como a la microestructura de
la soldadura y en consecuencia la distribución de las tensiones residuales.
Para demostrar como influye el aporte térmico se recurrió a diferentes ensayos, realizados por los
siguientes investigadores:
Masubuchi estudió las tensiones residuales y sus consecuencias a partir de diversos experimentos.
Demostró que, con el aumento del aporte térmico, el ancho de la zona de tensiones residuales
tractivas incrementa igualmente. Estas conclusiones encuentran respaldo en las de Silva , quien
utilizando un difractómetro de rayos X investigó el comportamiento de las tensiones residuales en
tuberías de acero de pequeño diámetro en un proceso TIG (manual y automático). El autor reporta
que los bajos aportes térmicos mantienen un perfil de tensiones uniforme mientras que para altos
valores presenta variaciones.
Un enfoque diferente lo aportan Akbari y Sattari-Far al estudiar (método del agujero ciego y
elementos finitos) las tensiones residuales en una unión de dos tuberías de diferentes materiales
(acero al carbono y acero inoxidable) utilizando soldadura TIG para el pase de raíz y soldadura
manual con electrodo revestido (SMAW por sus siglas en inglés) para el relleno. Lograron demostrar
como la distribución de tensiones residuales decrece con la disminución del calor introducido.
En sintonía con lo planteado anteriormente, Melo et al. centran su atención en las tensiones que
surgen durante la aplicación de electrodos de acero inoxidable sobre chapas de acero al Cr-Mn en
un proceso SAW. Usando al MBN, observaron una tendencia al aumento en la magnitud de las
mismas cuando aumenta el aporte térmico.
Por su parte, Kim et al. estudiaron el efecto del aporte térmico de un proceso de soldadura híbrida
(láser-soldadura al arco). Los autores concluyeron que debido al coeficiente del aporte térmico existe
una ligera variación en el tamaño de la distribución de las tensiones residuales y los valores absolutos
de las mismas.
Schroepfer y Kannengiesser estudiaron las tensiones residuales en un proceso de soldadura al
arco con protección gaseosa (GMAW por sus siglas en inglés) en componentes de aceros bajo
aleados de alta resistencia (HSLA por sus siglas en inglés). Aquí plantean que un alto valor de aporte
térmico causa que los valores de tensiones residuales, obtenidos por el método del agujero ciego,
muestren un significativo aumento. Con esto llegan a conclusiones similares a las de otros autores
como Masubuchi , Silva y Melo et al.
Lin et al. midieron las tensiones residuales en aceros TS590 y TS270 utilizando la difracción de
rayos X encontrando que fueron significativamente influenciadas por el aporte térmico.
En la investigación de Hemmatzadeh et al. fueron empleados el método de los elementos finitos y
del agujero ciego para examinar las tensiones residuales. Aquí reafirmaron la tendencia al aumento
de las tensiones residuales (axiales y radiales) al aumentar el aporte térmico en una soldadura TIG
orbital de dos tuberías de acero.
Del mismo modo Costa et al. midieron la distribución de las tensiones residuales en una unión
soldada utilizando un proceso CW-GMAW (soldadura por arco metálico con alambre frío-gas)
planteando que una reducción del aporte térmico disminuye las tensiones residuales longitudinales
en la zona afectada térmicamente (ZAT).
Alipooramirabad et al. compararon las tensiones residuales obtenidas en aceros HSLA en un
proceso de soldadura combinado multipasada (flux cored arc welding, FCAW y Soldadura por arco
corto modificada, MSAW), con las obtenidas en un proceso SMAW convencional bajo condiciones
análogas. Recurriendo a la difracción de neutrones, los autores señalan que el aporte térmico y el
espesor del material base afectan las tensiones residuales. De esta manera demuestran también, el
carácter termomecánico del fenómeno de las tensiones residuales dada la relación entre el aporte
térmico y geometría del material base.
Cada uno de los investigadores de este factor dan como conclusión de que a medida que
aumentamos el aporte térmico se incrementan las tensiones residuales sin importar que metedo de
soldadura se use, claro que en cada tipo de soldadura ese aumento es variable en algunos las
tensiones se incrementan mas que en otros.
3.4 Tecnica Operativa
3.5 Volumen de Aportación
3.6 Grado de Embridamiento