Centro de Ingeniera y Desarrollo Industrial

Anlisis de esfuerzos residuales en uniones soldadas por el mtodo del contornoDr. Carlos Rubio Gonzlez

X Congreso Internacional de Innovacin y Diseo basado en Simulacin por ComputadoraSan Miguel de Allende Gto. 21-22 de Octubre de 2010

CONTENIDO

Definicin de esfuerzos residuales y tcnicas de medicin Esfuerzos residuales en algunos elementos Mtodo del contorno Resultados Conclusiones

DefinicinEsfuerzos residualesEsfuerzos existentes en el material sin la aplicacin de cargas externas. Pueden ser de Tensin Compresin Pueden ser causados por Deformaciones plsticas no uniformes Gradientes trmicos pronunciados (soldadura, tratamientos trmicos)3

Esfuerzos residuales en algunos elementos

Shoot peeningProceso de trabajo en frio donde la superficie de un

componente es bombardeada por pequeas esferas ocasionando una indentacin.Debajo de la superficie, el material trata de

recuperar su forma original lo cual provoca esfuerzos residuales de compresin incrementando el tiempo de vida del componente.El esfuerzo de compresin mximo es por lo menos

la mitad del esfuerzo de fluencia del material.Los esfuerzos residuales de compresin son tiles

incrementando la resistencia a fallas por fatiga, grietas inducidas por corrosin o asistidas por hidrgeno, erosin, etc.

Doblado de barras

Curva esfuerzodeformacin

Estado de esfuerzos antes de la descarga

Distribucin de esfuerzos residuales

Deformacione s plsticas

Uniones soldadasFabrication by welding usually results in

stresses that are locked into the fabricated assembly.Residual stresses are caused by the

inability of the deposited molten weld metal to shrink freely as it cools and solidifies.Contraction of solidifying weld metal is

restricted by adjacent materials, resulting in complex three-dimensional residual stresses.The magnitude of these stresses depends

on several factors, including size of the deposited weld beads, weld sequence weld geometry, and strength of the deposited weld metal and of the adjoining base metal.

Soldadura por friccinFriction Stir Welding (FSW)

Es un proceso de penetracin completa en fase solida, que se utiliza para unir placas de metal, principalmente aleaciones de aluminio sin alcanzar su punto de fusin. Ventajas

Puede ser utilizado para unir placas metlicas sin material de aportacin o gas de proteccin. Penetracin total sin poros y ni cavidades internas. Soldaduras de alta calidad e integridad con muy baja distorsin. Se considera un proceso de soldadura ecolgico.

Tcnicas de medicinAgujero ciego Difraccin de rayos X Extensin sucesiva de ranura Mtodo del contorno

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Tcnicas de medicin.

Agujero CiegoSe realiza un agujero para relevar deformaciones las cuales se miden por strain gages

Rosetas comunes

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Difraccin de rayos XCambios en el espaciamiento interplanar d puede usarse con la ley de Bragg para detectar deformaciones elsticas conociendo la longitud de onda del haz incidente y el cambio en el ngulo de dispersin = 2d sin

=

d = cot d

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Extensin sucesiva de ranuraThe Slitting Method (Crack Compliance) A slot is machined incrementally into a part containing residual stress The slot releases the residual stress normal to the face of the slot, and the part deforms Surface strain gauges measures the resulting strains as a function of slot depth The strains are then used to solve for stress as a function of depthE ' d M K Irs (a ) = Z (a ) da

WM

HAZ

BM

K Irs (a ) = h( x, a ) rs ( x)dx0

a

Mtodo de contornoa. Experimentally cut the part in

two. The part will deform from the release of the stresses b. Then experimentally measure the contour, or shape, of the newly created surface c. Now analytically force the cut surface back flat. This gives the original residual stresses normal to the cut plane!15

Mtodo de contornoa) Corte Use wire EDM (Electric Discharge Machining)

b) Medicin A CMM positions a touch trigger probe using a precision 2-axis (x,y) control system.

Mtodo de contornoc) Anlisis Build finite element model of cut part No need to model actual deformed shape - displacements are small

Take opposite of measured contour Because we need to force deformed shape back to flat

Apply to finite element model Apply to edge of model as displacement boundary conditions Apply in normal direction only, leave other directions unconstrained

Extract results Post-process finite element results to get stress along edge where boundary conditions were applied

Aplicacin en uniones soldadasSuperficie deformada (no suavizada) TIG Superficie suavizada TIG

Superficie deformada (no suavizada) FSW

Superficie suavizada FSW

MODELO DE ELEMENTO FINITO

Mallado de la superficie

Estructural. SOLID 45.

Desplazamientos

ESFUERZOS RESIDUALES

Esfuerzos residuales en uniones soldadas de Aluminio

(m) (m)

Soldadura en acero inoxidable

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Conclusiones

El mtodo del contorno para la medicin de esfuerzos residuales ofrece la ventaja de conocer la distribucin de esfuerzos en la seccin transversal del componente Su implementacin es relativamente simple Es til particularmente en el anlisis de uniones soldadas