Aproximacion al tratamiento de alivio de tensiones mediante

2012
Aproximación la Alivio
de tensiones mediante
vibración (VSR)
Aproximación a tecnologías emergentes
Las tensiones residuales se generan por diferentes motivos: en fundiciones,
mediante las fuerzas de contracción que surgen a medida que la pieza se
solidifica; en la elaboración de metales, debido a las características elásticas del
material; al cortar metal, por la acción cortante que va siempre acompañada de
deformación; al soldar, debido a la expansión y contracción del material; al
mecanizar, etc. El alivio de tensiones por vibración se está convirtiendo en una
alternativa real y efectiva al tratamiento térmico por horno.
Unidad de Materiales y Tratamientos Superficiales
AIMME
13/06/2012
Aproximación al tratamiento de alivio de tensiones mediante vibración
otea@aimme.es
Aproximación al tratamiento de alivio de tensiones
mediante vibración (VSR)
1. Introducción
1.1. Definición de tensiones residuales
Las tensiones residuales de un material o componente son las tensiones que existen en él
cuando no hay (y a veces cuando ni siquiera han habido anteriormente) solicitaciones o cargas
externas. Los procesos de conformado son las causas más comunes que provocan tensiones
residuales. Virtualmente todos los procesos de conformado, soldadura,
soldadura, mecanizado,
moldeado, tratamientos térmicos, etc.,
etc. introducen tensiones residuales y en algunas ocasiones
pueden ser introducidas también más tarde a lo largo de la vida de la estructura por
procedimientos de instalación o montaje, por sobrecargas ocasionales, por efectos de
asentamiento del suelo o estructuras subterráneas, o por cargas muertas que puedan llegar a
ser parte integrante de la estructura.
Pueden
ueden dividirse en dos grandes grupos: macro y microtensiones, pudiendo hallarse ambas
presentes al mismo tiempo (Figura 1).. Las macro tensiones, que a menudo se denominan
tensiones Tipo I, varían dentro del material de la pieza a lo largo de una distancia mucho
mayor que el tamaño de grano. Por el contrario, el origen de las microtensiones se debe
buscar en diferencias en la microestructura del material. A su vez estas tensiones suelen ser
divididas en dos grupos; Tipo II y Tipo III. Las tensiones residuales Tipo II varían en la escala de
un grano mientras las de Tipo III corresponden a las tensiones
tensiones generadas a nivel atómico,
surgiendo dentro de un grano como consecuencia de la presencia de las dislocaciones u otros
defectos cristalinos. Estas micro tensiones a menudo tienen su origen en la presencia de
diferentes fases o constituyentes en un material
materi [1].
Figura 1. Diferentes tipos de tensiones residuales [2]
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico
http://www.aimme.es
http://observatorio.aimme.es
2 de 8
Aproximación al tratamiento de alivio de tensiones mediante vibración
otea@aimme.es
1.2. Tratamientos de las tensiones residuales
Las tensiones residuales pueden llegar a tener valores elevados y no permisibles por lo que es
necesario reducirlas o eliminarlas, existiendo diferentes métodos los cuales son agrupados en
dos grandes campos (figura 2):
2)
1) Mecánicos: shot peening, hammer peening, needle peening, ultrasonic peening
2) No mecánicos: térmicos y por vibraciones
Figura 2. Métodos de alivio de tensiones [3]
El alivio
o de tensiones mediante tratamiento térmico se realiza calentando la pieza o unión
soldada a una temperatura y a un periodo de tiempo determinado. Se recomienda un
calentamiento gradual uniforme de toda la pieza, un tiempo de permanencia a temperatura
determinada (que en el caso de los aceros es alrededor de 600 °C
C durante una hora por
pulgada de espesor), seguido de un enfriamiento igualmente gradual y uniforme. Cuando el
material es sometido a un calentamiento, se produce en él una disminución de su límite
límit
elástico; como las tensiones residuales de los cordones de soldadura (especialmente las
longitudinales) pueden alcanzar valores muy cercanos a éste, el nivel de las tensiones
residuales se reducirá al redistribuirse para mantener el equilibrio de fuerzas.
fuerzas También es
posible que se presenten mecanismos de termofluencia que relajen las tensiones durante el
tratamiento térmico; sin embargo, para alcanzar un efecto importante se requieren
permanencias prolongadas que no siempre son posibles en la práctica.
Para
ra el alivio de tensiones por tratamientos mecánicos tenemos el de preestirado y mediante
vibraciones.
1.2.1. Alivio de tensiones mediante vibración (VSR)
La posibilidad de utilizar las vibraciones para aliviar las tensiones se descubrió alrededor de
1943, durante la Segunda Guerra Mundial, cuando unas construcciones soldadas que se
transportaron desde el taller de soldadura al taller de máquinas por tren y camión presentaron
una menor distorsión cuando se mecanizaron. A medida que la guerra avanzaba, los alemanes
al
introdujeron el “transporte después de la soldadura” en componentes de precisión de gran
tamaño. Los ingenieros no sabían por qué ocurría este fenómeno, pero pensaron que era a
consecuencia de los movimientos en la pieza de trabajo y comenzaron a experimentar
ex
y
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico
http://www.aimme.es
http://observatorio.aimme.es
3 de 8
Aproximación al tratamiento de alivio de tensiones mediante vibración
otea@aimme.es
desarrollar métodos para generar los movimientos de una manera más controlada. Los
estadounidenses también descubrieron que a través de las vibraciones inducidas en el
material, las construcciones ganaban en precisión.
El alivio de tensiones por
or vibración es un método relativamente simple que induce vibraciones
armónicas o sub-armónicas con gran amplitud en el material. El equipo habitual consta de una
fuente eléctrica con una unidad de control, un motor eléctrico que gira excéntrica
excéntric (inductor de
laa fuerza) y un acelerómetro (transductor) que registra el flujo de frecuencia a través de la
pieza de trabajo (Figura 3).
Figura 3. Esquema de un equipo de alivio de tensiones por vibración [4]
Todos los metales tienen una frecuencia armónica. El metal vibrará a esta frecuencia cuando
se expone a un impacto repentino de ejemplo al martillar sobre una viga. Después del golpe, el
metal vibra hasta que toda la energía se disipa a través de la fricción interna. El alivio de
tensiones por vibración afecta
afecta el material similar al golpe de martillo. La diferencia se
encuentra dentro de la fuente de vibración; ya que utiliza un motor eléctrico que genera un
suministro constante de vibraciones. Cuando una pieza de trabajo se hace vibrar, el calor se
acumula y causa un incremento infinitesimal de la temperatura en el interior del material,
induciendo la energía suficiente para que las dislocaciones se reposicionen y vuelvan a un nivel
de tensiones menor. De esta manera las tensiones residuales se reducen en el material.
Las vibraciones se inducen en la pieza de trabajo de dos maneras. Si la pieza de trabajo es lo
suficientemente grande, el vibrador se puede conectar directamente en ella. La pieza de
trabajo tiene que estar aislada
aislad del suelo con almohadillas de caucho para impedir que las
vibraciones se extiendan a los alrededores. Otra forma es unir el vibrador a una mesa donde
este anclada una o más piezas
pieza de trabajo y también estará aislada por almohadillas de goma,
goma
permitiendo el alivio de tensiones de manera simultánea. Las piezas pequeñas tienen que
están siempre ancladas a una tabla o mesa de trabajo para garantizar que la frecuencia
armónica no esté fuera del rango del vibrador. La frecuencia de las vibraciones depende del
material, tamaño y forma de la pieza
pieza de trabajo. Por lo general, la frecuencia de vibración está
en el intervalo de 0-100Hz.
100Hz. El tiempo para el tratamiento de vibración es a menudo menos de
30 minutos (Figura 4). Se sabe que la aplicación en la que han demostrado mayor efectividad
es en el control dimensional de estructuras soldadas [5].
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico
http://www.aimme.es
http://observatorio.aimme.es
4 de 8
Aproximación al tratamiento de alivio de tensiones mediante vibración
otea@aimme.es
Figura 4. Tiempo vs peso de la pieza para conocer el tiempo necesario a vibración [6]
Actualmente hay dos tipos de métodos disponibles de alivio de tensiones por vibración.
vibración
Durante el primer método se hace una vibrado y barrido lento
o la pieza de trabajo desde la
frecuencia cero a la frecuencia máxima, por ejemplo 0-100Hz
0 100Hz durante 8 minutos. La respuesta
es analizada y su frecuencia armónica registrada. Por lo general, se registran dos o tres de esas
frecuencias.
ias. El vibrador se ajusta y se cambia la velocidad a una
un que sea igual a la primera
frecuencia armónica. La vibración sigue un tiempo dado, por lo general 10 minutos. Después
de esto la velocidad del vibrador se incrementa a una que es igual a la siguiente frecuencia
armónica superior y el proceso se repite.
El otro método, llamado sub--resonante, tiene el mismo procedimiento
rocedimiento de iniciación donde se
registran las frecuencias armónicas y luego, la frecuencia de las vibraciones se mantiene
ligeramente por debajo del armónico, generalmente por debajo de 4Hz. Cuando se disminuye
y estabiliza la primera frecuencia,
frecuencia significa que se ha relajado la pieza de trabajo desde las
tensiones residuales. El tiempo para que esto ocurra es de aproximadamente 20-30
20
minutos,
dependiendo del tamaño de la pieza de trabajo (Figura 6).
Figura 6. Procedimiento de operación del método de alivio de tensiones sub-resonante
sub
[7].
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico
http://www.aimme.es
http://observatorio.aimme.es
5 de 8
Aproximación al tratamiento de alivio de tensiones mediante vibración
otea@aimme.es
2. Aplicaciones
Dentro de las aplicaciones encontradas en la referencia bibliográfica [6]] tenemos:
Chasis de prensa
Grúa torre
Mesa para ser mecanizada
Cabezal de mandrinadora
Molde
Yugo para coladas de acero
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico
http://www.aimme.es
http://observatorio.aimme.es
6 de 8
Aproximación al tratamiento de alivio de tensiones mediante vibración
otea@aimme.es
Utillaje de aluminio para alas de avión
Tubería soldada
3) Ventajas frente a las alternativas tradicionales
A diferencia de los métodos para alivio de tensiones por tratamiento térmico, este método
presenta las diferentes ventajas:
•
•
•
•
•
•
El equipo es compacto y portátil, de este modo, puede moverse a cualquier parte
p
de la
planta de producción o incluso a trasladarlo fácilmente a otras empresas.
em
Los costes de inversión, funcionamiento y mantenimiento son bajos.
El proceso dura entre 15 y 30 minutos por ubicación, según el peso y configuración del
componente o estructura.
Es fácil de usar y no requiere la necesidad de extensas instrucciones para el operario.
Se puede usar en una amplia gama de materiales.
No tiene efectos negativos en el material.
La tabla 1 hace una comparativa del alivio de tensiones por vibración con el método
convencional.
Alivio de tensiones por
tratamiento térmico
Alivio de tensiones por
vibración
Tiempo de ciclo
Alto (horas)
15-30
0 minutos
Automatización
Alto grado
Potencialmente alta
Espacio utilizado
Grande
Pequeño
Movilidad
Poca o ninguna
Equipo móvil
Costes de
operación/mantenimiento
100.000 €/año
10.000 €/año
Efectos medioambientales
Altos
Bajos
Posible cambio de las
propiedades del material
Se requieren ensayos antes
de comprarlo, posibilidad de
registrar los datos,
Método
Otros
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico
http://www.aimme.es
http://observatorio.aimme.es
7 de 8
Aproximación al tratamiento de alivio de tensiones mediante vibración
otea@aimme.es
4) Referencias
[1] A. M. Irisarri.. Efecto de las tensiones residuales sobre las prestaciones de diversos
componentes. Anales de Mecánica de la Fractura Vol. I,I 2006, 245-250.
[2] P. J. Withers and H. K. D. H. Bhadeshia.
Bhadeshia Residual stress Part 1 – Measurement techniques.
techniques
Materials Science and
d Technology,
Technology 2001, Vol. 17, 355-365.
[3] Tim Wessel. Stress Relieving Welds.
Welds US Army Corps of Engineers
[4] http://www.gigabiz.co.uk/
[5]] F. Casanova, D. Henao, F. Franco. Control dimensional de uniones soldadas utilizando
tratamiento de alivio de tensiones mediante vibraciones. Revista Ingeniería
ngeniería e Investigación,
Vol. 28, Nº 1, 2008, 22-25.
[6] http://www.metronicnet.com/pdf/Presentacion_estabilizador.pdf
[7] Stefan Lindqvist, Jonas Holmgren. Alternative Methods for Heat Stress Relief.
Relief Master of
Science Programme, Mechanical Engineering,
Engineering Luleå University of Technology.
Technology Department of
Applied Physics
ics and Mechanical Engineering,
Engineering 2007, 84 págs.
AIMME - Instituto Tecnológico Metalmecánico
http://www.aimme.es
http://observatorio.aimme.es
8 de 8