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
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