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Aproximacin al alivio de tensiones mediante vibracin (VSR)

Las tensiones residuales se generan por diferentes motivos: en fundiciones, mediante las fuerzas decontraccin que surgen a medida que la pieza se solidifica; en la elaboracin de metales, debido a lascaractersticas elsticas del material; al cortar metal, por la accin cortante que va siempre acompaadade deformacin; al soldar, debido a la expansin y contraccin del material; al mecanizar, etc. El alivio detensiones por vibracin se est convirtiendo en una alternativa real y efectiva al tratamiento trmico porhorno.

Elkin Martnez Daz, Unidad de nuevos procesos de fabricacin de Aimme

1. Introduccin 1.1. Definicin de tensiones residuales

Las tensiones residuales de un material o componente son las tensiones que existen en l cuando no hay (y aveces cuando ni siquiera ha habido anteriormente) solicitaciones o cargas externas. Los procesos deconformado son las causas ms comunes que provocan tensiones residuales. Virtualmente todos los procesosde conformado, soldadura, mecanizado, moldeado, tratamientos trmicos, etc. pueden ser introducidastambin ms tarde a lo largo de la vida de la estructura por procedimientos de instalacin o montaje, porsobrecargas asentamiento del suelo o estructuras subterrneas, o por cargas muertas que puedan llegar a serparte integrante de la estructura.

Pueden dividirse en dos grandes grupos: macro y microtensiones, pudiendo hallarse ambas presentes almismo tiempo (Figura 1). Las macro tensiones, que a menudo se denominan tensiones Tipo I, varan dentrodel material de la pieza a lo largo de una distancia mucho mayor que el tamao de grano. Por el contrario, elorigen de las microtensiones se debe buscar en diferencias en la microestructura del material. A su vez estastensiones suelen ser divididas en dos grupos; Tipo II y Tipo III. Las tensiones residuales Tipo II varan en laescala de un grano mientras las de Tipo III corresponden a las tensiones surgiendo dentro de un grano comoconsecuencia de la presencia de las dislocaciones u otros defectos cristalinos. Estas micro tensiones a menudotienen su origen en la presencia de diferentes fases o constituyentes en un material [1].

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eMagazine Metalmecnica APROXIMACIN AL ALIVIO DE TENSIONES MEDIANTE VIBRACIN (VSR) (27/12/2012)

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Figura 1. Diferentes tipos de tensiones residuales [2].

1.2 Tratamientos de las tensiones residuales

Las tensiones residuales pueden llegar a tener valores elevados y no permisibles por lo que es necesarioreducirlas o eliminarlas, existiendo diferentes mtodos los cuales se agrupan en dos grandes campos (figura2)

1) Mecnicos: shot peening, hammer peening, needle peening, ultrasonic peening

2) No mecnicos: trmicos y por vibraciones

Figura 2. Mtodos de alivio de tensiones [3].

El alivio de tensiones mediante tratamiento trmico se realiza calentando la pieza o unin soldada a unatemperatura y a un periodo de tiempo determinado. Se recomienda un calentamiento gradual uniforme detoda la pieza, un tiempo de permanencia a temperatura determinada (que en el caso de los aceros esalrededor de 600 C durante una hora por pulgada de espesor), seguido de un enfriamiento igualmentegradual y uniforme. Cuando el material es sometido a un calentamiento, se produce en l una disminucin desu lmite elstico; como las tensiones residuales de los cordones de soldadura (especialmente laslongitudinales) pueden alcanzar valores muy cercanos a ste, el nivel de las tensiones residuales se reducir alredistribuirse para mantener el equilibrio de fuerzas. Tambin es posible que se presenten mecanismos determofluencia que relajen las tensiones durante el tratamiento trmico; sin embargo, para alcanzar un efectoimportante se requieren permanencias prolongadas que no siempre son posibles en la prctica.

Para el alivio de tensiones por tratamientos mecnicos tenemos el de preestirado y mediante vibraciones.

1.2.1 Alivio de tensiones mediante vibracin (VSR)

La posibilidad de utilizar las vibraciones para aliviar las tensiones se descubri alrededor de 1943, durante laSegunda Guerra Mundial, cuando unas construcciones soldadas que se transportaron desde el taller desoldadura al taller de mquinas por tren y camin presentaron una menor distorsin cuando se mecanizaron.A medida que la guerra avanzaba, los alemanes introdujeron el transporte despus de la soldadura encomponentes de precisin de gran tamao. Los ingenieros no saban por qu ocurra este fenmeno, pero

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pensaron que era a consecuencia de los movimientos en la pieza de trabajo y comenzaron a experimentar ydesarrollar mtodos para generar los movimientos de una manera ms controlada. Los estadounidensestambin descubrieron que a travs de las vibraciones inducidas en el material, las construcciones ganaban enprecisin.

El alivio de tensiones por vibracin es un mtodo relativamente simple que induce vibraciones armnicas osub-armnicas con gran amplitud en el material. El equipo habitual consta de una fuente elctrica con unaunidad de control, un motor elctrico que gira excntrica ((inductor de la fuerza) y un acelermetro(transductor) que registra el flujo de frecuencia a travs de la pieza de trabajo (Figura 3).

Figura 3. Esquema de un equipo de alivio de tensiones por vibracin [4].

Todos los metales tienen una frecuencia armnica. El metal vibrar a esta frecuencia cuando se expone a unimpacto repentino de ejemplo al martillar sobre una viga. Despus del golpe, el metal vibra hasta que toda laenerga se disipa a travs de la friccin interna. El alivio de tensiones por vibracin afecta el material similar algolpe de martillo. La diferencia se encuentra dentro de la fuente de vibracin; ya que utiliza un motorelctrico que genera un suministro constante de vibraciones. Cuando una pieza de trabajo se hace vibrar, elcalor se acumula y causa un incremento infinitesimal de la temperatura en el interior del material, induciendola energa suficiente para que las dislocaciones se reposicionen y vuelvan a un nivel de tensiones menor. Deesta 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 suficientementegrande, el vibrador se puede conectar directamente en ella. La pieza de trabajo tiene que estar aislada delsuelo con almohadillas de caucho para impedir que las vibraciones se extiendan a los alrededores. Otra formaes unir el vibrador a una mesa donde este anclada una o ms piezas de trabajo y tambin estar aislada poralmohadillas de goma, permitiendo el alivio de las tensiones de manera simultnea.

Las piezas pequeas tienen que estar siempre ancladas a una tabla o mesa de trabajo para garantizar que lafrecuencia armnica no est fuera del rango del vibrador. La frecuencia de las vibraciones depende delmaterial, tamao y forma de la pieza de trabajo. Por lo general, la frecuencia de vibracin est en el intervalode 0-100Hz. El tiempo para el tratamiento de vibracin es a menudo menos de 30 minutos (Figura 4). Sesabe que la aplicacin en la que han demostrado mayor efectividad es en el control dimensional deestructuras soldadas [5].

Figura 4. Tiempo vs peso de la pieza para conocer el tiempo necesario a vibracin [6].

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Actualmente hay dos tipos de mtodos disponibles de alivio de tensiones por vibracin

Durante el primer mtodo se hace un vibrado y barrido lento la pieza de trabajo desde la frecuencia cero a lafrecuencia mxima, por ejemplo 0-100 Hz durante 8 minutos. La respuesta es analizada y su frecuenciaarmnica registrada. Por lo general, se registran dos o tres de esas frecuencias. El vibrador se ajusta y secambia la velocidad a una que sea igual a la primera frecuencia armnica. La vibracin sigue un tiempo dado,por lo general 10 minutos. Despus de esto la velocidad del vibrador se incrementa a una que es igual a lasiguiente frecuencia armnica superior y el proceso se repite.

El otro mtodo, llamado sub-resonante tiene el mismo procedimiento de iniciacin donde se registran lasfrecuencias armnicas y, luego, la frecuencia de las vibraciones se mantiene ligeramente por debajo delarmnico, generalmente por debajo de 4 Hz. Cuando disminuye y estabiliza la primera frecuencia significa quese ha relajado la pieza de trabajo desde las tensiones residuales. El tiempo para que esto ocurra es deaproximadamente 20-30 minutos, dependiendo del tamao de la pieza de trabajo (figura 5).

Figura 5. Procedimiento de operacin del mtodo de alivio de tensiones sub-resonante [7].

2. Aplicaciones Dentro de las aplicaciones encontradas en la referencia bibliogrfica [6] tenemos:

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3. Ventajas frente a las alternativas tradicionales

A diferente de los mtodos para alivio de tensiones por tratamiento trmico, este mtodo presente lasdiferentes ventajas como:

El equipo es compacto y porttil, de este modo, puede moverse a cualquier parte de la planta deproduccin o incluso a trasladarlo fcilmente a otras empresas.Los costes de inversin, funcionamiento y mantenimiento son bajos.El proceso dura entre 15 y 30 minutos por ubicacin, segn el peso y configuracin del componente oestructura.Es fcil de usar y no requiere la necesidad de extensas instrucciones para el operarioSe 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 vibracin con el mtodo convencional.

Referencias

[1] A. M. Irisarri. Efecto de las tensiones residuales sobre las prestaciones de diversos componentes. Anales de Mecnica de la Fractura Vol.I, 2006, 245-250.

[2] P. J. Withers and H. K. D. H. Bhadeshia. Residual stress Part 1 Measurement techniques. Materials Science and Technology, 2001, Vol.17, 355-365.

[3] Tim Wessel. Stress Relieving 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 mediantevibraciones. Revista Ingeniera e Investigacin, Vol. 28, N 1, 2008, 22-25.

[6] http://www.metronicnet.com/pdf/Presentacion_estabilizador.pdf

[7] Stefan Lindqvist, Jonas Holmgren. Alternative Methods for Heat Stress Relief. Master of Science Programme, Mechanical EngineeringLule University of Technology. Department of Applied Physics and Mechanical Engineering, 2007, 84 pgs.

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