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• Elmar Cuellar

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TENSIONES Y DEFORMACIONES POR SOLDADURA Profesor: Paul P. Lean Sifuentes

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CONDUCTIVIDAD TÉRMICA ¾ Es una propiedad física de los materiales y viene a ser la velocidad con la cual el calor fluye a través del material. 9 Los cerámicos tienen muy mala conductividad térmica, es decir, disipan con mucha dificultad el calor. 9 Los metales, son muy buenos conductores del calor y, por tanto, se enfrían con más facilidad.

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CONDUCTIVIDAD TÉRMICA Conductividad térmica a temp. ambiente (cal/cm2/°C/s) Aluminio (99.45%) 0,57 Aluminio AA6061 0,41 Cobre 0,93 Latón rojo (15% Zn) 0,38 Cupro-Níquel 0,07 Níquel (99,95%) 0,22 Monel 0,062 Acero (0,23%C, 0,64%Mn) 0,12 Acero inoxidable (AISI 410) 0,057 Acero inoxidable (AISI 304) 0,036 Acero al manganeso (14%Mn) 0,032 Metal o aleación

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CONDUCTIVIDAD TÉRMICA ¾ Cuando se suelda un metal, este recibe calor muy puntual y luego lo transfiere (disipa) dentro del material gracias a su conductividad térmica. 9 Si es alta, la disipación será elevada y se producirá una disminución rápida de la temperatura en la zona caliente. 9 Si es baja, la zona del metal caliente permanecerá así por un período de tiempo mayor y hará más lento su enfriamiento. 4

EXPANSIÓN TÉRMICA ¾ La expansión térmica es el cambio de longitud que experimenta un material cuando su temperatura es incrementada. ¾ La dilatación o expansión térmica viene expresada por la siguiente relación:

ε = α (ΔT) 9 9 9 9

Donde: ε = elongación térmica = ΔL / Lo = (LF – LO) / LO α = coeficiente de dilatacion ΔT = incremento de temperatura = TF - TO 5

EXPANSIÓN TÉRMICA Material Aluminio Latón y bronce Cobre Plomo Acero Invar (Ni-Fe)

Coeficiente de expansión térmica (°C-1) 24x10-6 19x10-6 17x10-6 29x10-6 11x10-6 0,9x10-6 6

EXPANSIÓN TÉRMICA ¾ Cuanto se dilatarán una barra, de 1 m de longitud, fabricada de acero y aluminio, cuando se calientan desde los 20 °C hasta 120 °C: 9 ΔL = α LO (TF - TO) 9 ΔL ACERO = 1,1 mm 9 ΔL ALUMINIO = 2,4 mm 7

EXPANSIÓN TÉRMICA

ACERO AISI 304

1,4

ACERO ASTM A36

1,1

ALUMINIO

2,4

COBRE

1,5

LONGITUD INICIAL

DILATACION

8

DEFORMACIÓN DEBIDA A CALENTAMIENTO LIBRE

TENSADA

Cuando el calentamiento no es uniforme y se impide la dilatación y contracción de la pieza, ésta se deformará. 9

DEFORMACIÓN DEBIDA A CALENTAMIENTO • Temperatura ambiente. • Longitud original. • Tensión interna cero. • Calentamiento. • Dilatación restringida. • Compresión interna. • Enfriamiento. • Contracción restringida. • Tracción interna. • Estado final. • Recalcado y estrangulamiento. • Tracción interna. 10

DEFORMACIÓN DEBIDA A CALENTAMIENTO Esfuerzos de compresión en una barra de acero DIN St 37 de 100 mm de longitud T (ºC) σC ( N / mm2 ) 60

151

80

201

100

252

120

302

St 37

Si una barra es prensada en un cuerpo rígido, y es calentada uniformemente en toda su longitud, se originan tensiones de compresión a causa de la restricción de la dilatación. 11

DEFORMACIÓN DEBIDA A CALENTAMIENTO

Simulación de la deformación y tensiones residuales provocadas por un calentamiento localizado. 12

TENSIONES Y DEFORMACIONES ¾ Como consecuencia de enfriamientos y calentamientos no uniformes se producen: 9 Deformaciones en las piezas 9 Tensiones internas o residuales, que permanecerán (en las piezas aún después de retirar todos los esfuerzos o cargas externas). ¾ Si se impide la deformación de las piezas se producen tensiones internas, aumentando el riesgo de fallo, es decir, el riesgo de rotura de la pieza. 13

ESFUERZOS RESIDUALES ¾ Los esfuerzos residuales son esfuerzos que están presentes en el interior del material y que permanecen en él cuando se eliminan todas las cargas aplicadas. ¾ Las tensiones residuales originadas por la soldadura se producen como consecuencia de: 9 las dilataciones y contracciones 9 y por los cambios dimensionales que son inducidos por las transformaciones microestructurales que se presentan. 14

ESFUERZOS RESIDUALES ¾ Los esfuerzos residuales pueden ser macroscópicos o microscópicos. 9 Las dilataciones producidas por el calentamiento de una plancha durante su soldadura pueden originar esfuerzos residuales macroscópicos. 9 Las transformaciones microestructurales (como la formación de martensita en el acero) pueden dar origen a esfuerzos microscópicos.

15

ESFUERZOS RESIDUALES

compresión

tracción

16

ESFUERZOS RESIDUALES ¾ A lo largo del cordón se forman altos esfuerzos residuales

de

tracción,

los

cuales

descienden

rápidamente conforme se alejan de la soldadura hasta convertirse en esfuerzos residuales de compresión en el material base. ¾ Aquí es importante tener en cuenta dos variables: 9 el esfuerzo residual máximo de tracción (σmax) 9 el ancho de la zona traccionada (b). 17

ESFUERZOS RESIDUALES Con restricción lateral

Sin restricción

18

ESFUERZOS RESIDUALES Tensiones longitudinales

Tensiones transversales

19

ESFUERZOS RESIDUALES ¾ En el caso de la soldadura de tuberías, la distribución de las tensiones residuales es algo más compleja, las costuras circunferenciales presentan esfuerzos residuales: 9 longitudinales, 9 circunferenciales y 9 momentos flectores ¾ La magnitud y sentido dependen del diámetro y espesor de pared de la tubería, del diseño de la junta soldada y del procedimiento de soldadura. 20

ESFUERZOS RESIDUALES Esfuerzos longitudinales Diámetro: 760 mm Espesor de pared: 11 mm Esfuerzos circunferenciales

SUP. EXTERIOR SUP. INTERIOR

circunferencial

SUP. EXTERIOR SUP. INTERIOR

longitudinal

Distancia del cordón de soldadura (pulg.) 21

ESFUERZOS RESIDUALES ¾ Los esfuerzos residuales pueden disminuir considerablemente la resistencia a la tracción de las estructuras soldadas cuando estas se encuentran sometidas a determinados mecanismos de deterioro, especialmente favorecidos por la aplicación de bajos esfuerzos de carga en servicio. ¾ Son determinantes en la vida del componente soldado cuando se haya sometido a bajos esfuerzos mecánicos y a mecanismos de daño, como fractura frágil, fatiga y corrosión bajo tensión. 22

ESFUERZOS RESIDUALES ¾ En presencia de ambientes corrosivos, los esfuerzos residuales pueden provocar la fractura en materiales sin necesidad de que estén sometidos a cargas externas. ¾ Esto es particularmente severo cuando los mecanismos son corrosión bajo tensión y fragilización por hidrógeno.

23

CORROSIÓN BAJO TENSIÓN Aleación

Ambiente agresivo

Acero de bajo carbono

Nitratos, hidróxidos, sulfuro de hidrógeno

Acero inoxidable (>12%Cr)

Haluros, sulfuros de hidrógeno, vapor

Acero inoxidable austenítico Cloruros, hidróxidos (18%Cr-8%Ni) Aleación de aluminio

Cloruro de sodio, ambientes tropicales

Aleación de titanio

Ácido nítrico fumante, hidrocarburos clorados 24

ESFUERZOS RESIDUALES ¾ Los esfuerzos residuales se pueden medir a través de las siguientes técnicas: 1. Técnicas de relajación de esfuerzos 2. Difracción de rayos X 3. Técnica de ultrasonido

25

RELAJACIÓN DE ESFUERZOS Ubicación de la roseta de strain gages

Strain gage

Roseta de strain gages para medir deformaciones

26

RELAJACIÓN DE ESFUERZOS ¾ Se basan en el hecho de que las tensiones residuales siempre están en el rango elástico y, al provocar una relajación del material, a través de seccionamiento, taladrado, etc. del elemento, se produce una liberación de las tensiones internas que provoca una deformación, la cual

puede

ser

medida

a

través

de

bandas

extensométricas (strain gages) fijadas a la superficie del metal 27

BANDA EXTENSOMÉTRICA Son filamentos embebidos en una lámina de plástico que se adhieren a la superficie sobre la cual se quiere medir las deformaciones. Cuando se produce una deformación en el material, la longitud de los filamentos cambia y con ello su resistencia eléctrica. Entonces a través de las variaciones de la resistencia eléctrica de estos filamentos es posible medir las deformaciones de cualquier componente. 28

RELAJACIÓN DE ESFUERZOS 1. Se coloca la roseta en la superficie del componente.

2. Se coloca un posicionador de precisión de forma que se mida la correcta ubicación de una broca respecto al agujero de la roseta

29

RELAJACIÓN DE ESFUERZOS

4. Se miden las deformaciones 3. Se taladra una pequeña porción del material para provocar la liberación de las tensiones residuales a través de deformación. 30

DIFRACCIÓN DE RAYOS X ¾ Las deformaciones elásticas en los metales pueden ser estimadas a través de la medición de los cambios en el espaciado interatómico usando la técnica de difracción de rayos X. ¾ Se pueden determinar deformaciones superficiales en una pequeña área (algunos mm2). ¾ Esta técnica es no destructiva y es posible hoy en día realizarla en campo 31

ULTRASONIDO ¾ Es no destructivo, su aplicación es sencilla en obra y con ausencia de medidas de seguridad durante su aplicación. ¾ Las tensiones residuales pueden ser correlacionadas con la velocidad de propagación de una onda en el interior del material. ¾ El cálculo preciso de los esfuerzos residuales es un tanto complejo y da un valor promedio de los esfuerzos existentes en el interior del material. ¾ A diferencia de la técnica de difracción de RX, el método de ultrasonidos permite conocer esfuerzos residuales en el interior. 32

ALIVIO DE TENSIONES RESIDUALES ¾ Las tensiones internas se originan en complejas interacciones térmicas y/o mecánicas. ¾ Por consiguiente, los métodos de alivio de tensiones residuales se basan justamente en: 9 tratamientos térmicos y/o 9 tratamientos mecánicos.

33

TRATAMIENTOS TÉRMICOS ¾ Consisten en calentar la unión soldada a una temperatura y a un período de tiempo determinado. ¾ Cuando es posible, todo el componente soldado es introducido en un horno y cuando no se puede, se somete sólo la unión a un calentamiento local. ¾ Se produce en él una disminución de su límite elástico; como las tensiones residuales en 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. 34

TEMPERATURAS RECOMENDADAS ANCC

ASME

BS

DnT

Acero al C/C- 600 - 650°C Mn

> 593°C

580 -620°C

550 - 600°C

Acero C-1/2Mo 620 - 670°C

> 593°C

650 - 680°C

580 - 620°C

1Cr -1/2 Mo

630 - 680°C

> 593°C

630 - 670°C

620 - 660°C

21/4 Cr - 1/2 660 - 710°C Mo

> 677°C

680 - 720°C

625 - 750°C

5Cr - 1/2 Mo

680 - 730°C

> 677°C

710 - 760°C

670 - 740°C

3 1/2 Ni

550 - 610°C

> 593°C

580 - 620°C

550 - 590°C

9 Ni

Por acuerdo

No especificado

No requerido

No especificado

ANCC: Associazione Nazionale per el Controllo della Combustione ASME: American Society Mechanical Engineering BS: British Standard DnT: Den Norske Trykkebeholdekomite

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Temperaturas de precalentamiento mínimas Rangos de temperatura de alivio de recomendadas para soldadura (con bajo tensiones recomendadas para aceros Cr-Mo hidrógeno) de aceros Cr-Mo (tratamiento post-soldadura) Espesor Rango de temperatura2 hasta De 13 a Más de Acero1 Acero 13mm 25mm 25mm °C °C °C °C 1/2 Cr-Mo 38 93 149 1/2Cr-1/2Mo 621-704 1 Cr-1/2 Mo 1Cr-1/2Mo 121 149 149 621-718 11/4 Cr-1/2 Mo 1 1/4Cr-1/2Mo 2Cr-1/2 Mo 2Cr-1/2Mo 149 177 177 677-760 2 1/4 Cr- 1Mo 2 1/4Cr-1Mo 3Cr-1Mo 3Cr-1Mo 5Cr-1/2Mo 5Cr-1/2Mo 7Cr-1/2Mo 7Cr-1/2Mo 704-760 177 204 204 9Cr-1Mo 9Cr-1Mo 732-760 9Cr-1Mo plus 9Cr-1Mo plus V+Nb+N V+Nb+N 1 Máximo contenido de carbono de 0.15%. Para un %C 2 La temperatura no debe exceder la más alto, la temperatura de precalentamiento debe ser temperatura de revenido del acero. aumentada entre 100 a 200° F (38 a 93°C). Se puede usar una menor temperatura de 36 precalentamiento con TIG.

TRATAMIENTOS TÉRMICOS ¾ Como práctica para aliviar tensiones en soldaduras de acero dúctil, se suele emplear un calentamiento de una hora por cada pulgada (2,54 cm) de espesor de plancha. ¾ Una plancha de 0,64 cm (1/4”) de espesor debe ser calentada por quince minutos a la temperatura de alivio de tensiones.

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TRATAMIENTO MECÁNICO ¾ Este tratamiento se realiza a temperatura ambiente y el material a distensionar debe ser lo suficientemente dúctil como para producir la deformación local necesaria para aliviar las tensiones. ¾ Una forma de realizar este tratamiento es a través de un granallado de la superficie (shot peening) que induce esfuerzos

residuales

de

compresión,

los

cuales

contrarrestan el efecto de los posibles esfuerzos residuales de tracción y mejoran la resistencia a la fatiga del componente.

38

TRATAMIENTO MECÁNICO ¾ Otra forma de aplicar este tratamiento de alivio de tensiones son: 9 martillando la unión soldada 9 aplicando vibración mecánica a través de un equipo que se conecta con la estructura y ejecuta el tratamiento mecánico sobre una gran superficie del componente.

39

DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS ¾ Como se ha comentado anteriormente, las deformaciones en uniones soldadas son ocasionadas por los calentamientos locales consecuencia del proceso y de los enfriamientos posteriores. ¾ Por tanto el nivel de distorsión producida estará en función de un sin número de factores que están presentes siempre en la soldadura como: 9 Calor de aporte 9 Procedimiento de soldadura 9 Número de pasadas 9 Cantidad de embridamiento 40

DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS

41

DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS

Contracción transversal

Contracción angular

Contracción longitudinal

Eje neutro 42

DEFORMACIÓN ANGULAR

43

DEFORMACIONES ANGULAR

44

DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS Eje neutro

Eje neutro

Distorsión por efecto de soldadura por encima del eje neutro

Distorsión por efecto de soldadura por debajo del eje neutro

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DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS ¾ La cantidad de contracción transversal que se puede tener durante la soldadura a tope de planchas puede ser estimada mediante la siguiente fórmula: ¾ S (mm) = 0,2 (AW / t ) + 1,125 d 9 donde: 9 S = contracción lateral (mm) 9 AW = sección transversal de la soldadura (mm2) 9 t

= espesor de la plancha (mm)

9 d

= apertura de raíz (mm)

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DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS ¾ A partir de la relación anterior, se puede deducir que la contracción transversal debida a la soldadura es mayor cuanto más delgada sea la plancha a soldar. ¾ Esto es cierto cuando se comparan los mismos calores de aporte aplicados durante la soldadura; pues cuando el espesor de la plancha es mayor, será necesario aplicar más de una pasada y, en este caso, el efecto sobre la contracción transversal cambia. ¾ Si la junta soldada ha sido inmovilizada mecánicamente, el grado de contracción o distorsión transversal disminuirá en función del nivel de rigidez de la fijación existente. 47

EFECTO DE LAS VARIABLES Variable Apertura de raíz Diseño de la junta Diámetro electrodo

del

Grado de fijación Tipo de electrodo

Efecto sobre la contracción Aumenta cuando la apertura de raíz aumenta Junta en V simple produce más contracción que una junta en V doble Disminuye cuando se emplea un mayor diámetro del electrodo Disminuye con el aumento de la fijación de la unión Tiene un efecto menor 48

DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS ¾ Se ha comprobado que soldaduras hechas con una sola pasada (block welding) tienen menores niveles de distorsión o de energía elástica almacenada (es decir, tensiones residuales) que la misma unión realizada en múltiples pasadas. SMAW, 3 pasadas

SMAW, 5 pasadas

GMAW, 1 pasada

1°

1°

3,5°

0° GMAW, unión doble V

49

DEFORMACIONES EN UNIONES SOLDADAS ¾ En soldadura de costuras largas, la contracción del metal depositado tiende a cerrar las esquinas a soldar provocando incluso que se solapen. Esto es especialmente cierto sobre todo en soldadura de arco eléctrico manual (SMAW)

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FORMA DE CORRECCIÓN

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CONTROL DE LA DISTORSIÓN ¾ La presencia de distorsión es casi inevitable en un proceso de soldadura. Es posible minimizarla, para ello se deben de tener en cuenta los siguientes detalles: 9 Mínimo de soldaduras 9 Reducir la introducción de calor 9 Reducir el material de aportación 9 Subdividir la construcción soldada (diseño) 9 Fijar la secuencia de soldadura. 9 Montaje de las piezas

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CONTROL DE LA DISTORSIÓN ¾ Mínimo de soldaduras La mejor construcción soldada es, sin duda, la que reduce a un mínimo la cantidad de soldaduras y consta de un mínimo de piezas. ¾ Reducción de la introducción del calor Para cada soldadura, dependiendo del material, espesor, etc., habrá que elegir el procedimiento de soldadura adecuado para introducir el calor mínimo por unidad de tiempo. 53

CONTROL DE LA DISTORSIÓN ¾ Reducción del material de aporte 9 La elección del tipo de bisel para cada soldadura es de gran importancia. 9 En las soldaduras a tope, se elegirá un bisel de poca abertura que puede ser de 60º para soldadura manual y menor para soldadura automática o semiautomática (arco sumergido, MIG, MAG). 9 La separación entre bordes será mínima con objeto de que la sección de soldadura se reduzca. 54

DISEÑO DE LA UNIÓN

55

FORMAS DE REDUCCIÓN DEL APORTE ¾ Mínima separación en la raíz, que garantice una buena penetración. ¾ El ángulo del chaflán mínimo posible. ¾ Emplear juntas en U en lugar de V cuando el espesor de la pieza lo requiera. ¾ Debe preferirse juntas en doble U que en doble V, teniendo en cuenta que los primeros son más caros, y de debe tener acceso por ambos lados. 56

FORMAS DE REDUCCIÓN DEL APORTE

Chaflán en “V”

Chaflán en “X”

Comparación de ambos 57

CONTROL DE LA DISTORSIÓN ¾ Subdividir la construcción en subconjuntos 9 Cuando se trata de soldar construcciones grandes, en el diseño ya se indicarán los subconjuntos a soldar, con lo cual se ahorrará tiempo y se reducirá a un mínimo las tensiones. 9 Se soldará desde dentro hacia fuera; primero las soldaduras a tope y después a solape; primero las cortas y después las largas; primero las transversales, luego las longitudinales. 9 En depósitos, se soldarán primero las longitudinales y luego las circunferenciales. 58

SECUENCIA DE SOLDEO

59

SECUENCIA DE SOLDEO

60

SECUENCIA DE SOLDEO

61

SECUENCIA DE SOLDEO

62

ESTABLECER LA SECUENCIA DE SOLDEO

9

7

11

5

4

1

10 6 2

12 3

8

63

ESTABLECER LA SECUENCIA DE SOLDEO

4 5

1

2

3

64

SECUENCIA DE SOLDEO

65

SECUENCIA DE SOLDEO ¾ En uniones transversales con refuerzos o puentes, primero se deberá soldar la unión a tope ( 1 ) para permitir una libre contracción transversal, luego se deberá soldar las uniones en ángulo ( 2 ). ¾ Si se soldaran primero las uniones en ángulo, las tensiones residuales en la unión a tope podrían ser tan grandes que podrían originar una grieta, debido a la restricción de la contracción transversal.

66

ESTABLECER LA SECUENCIA DE SOLDEO

67

ESTABLECER LA SECUENCIA DE SOLDEO

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PASO DE PEREGRINO ¾ Se evita el efecto de cierre de las planchas. ¾ Consiste en efectuar cada pasada en sentido contrario al de avance del soldeo. 9 En uniones largas 9 En primeras pasadas de grandes espesores

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SECUENCIA DE SOLDEO PLANCHA LARGA

PLANCHA CORTA

70

SECUENCIA DE SOLDEO

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MONTAJE DE LAS PIEZAS ¾ Embridar la piezas de forma que se minimice la deformación. 9 Es el más simple y es empleado. ¾ Predeformar elásticamente en sentido contrario a la deformación prevista. ¾ Situar las piezas de forma que compense las deformaciones. 9 Este método el es más adecuado que los dos anteriores. 9 Es el más difícil de aplicar. 72

MONTAJE DE LAS PIEZAS

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CORRECCIÓN SON SOLDADURA ¾ Cuando la distorsión aparece en la unión soldada, es posible reducirla a través de algunas técnicas, siendo una de las más comunes el enderezado por llama. ¾ La zona deformada es calentada por un calentamiento local entre 600°- 650°C y enfriada posteriormente con agua o aire. ¾ Para el enderezado por llama, se puede emplear un equipo ordinario de soldadura oxigas. ¾ El tipo de soplete se elegirá de acuerdo a la aplicación y al espesor del metal. 74

ENDEREZADO POR LLAMA ¾ Se pueden emplear boquillas de llama única o multillamas y sopletes multiboquilla. ¾ Las boquillas multillama se emplean para enderezado de piezas de más de 20 mm de espesor. ¾ Los sopletes multiboquilla son empleados para enderezar grandes superficies de planchas, tales como cubiertas y superestructuras en buques.

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SOPLETES MULTIBOQUILLAS

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ENDEREZADO POR LLAMA Aplicación del enderezado por llama de una pieza soldada

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ENDEREZADO POR LLAMA Tubo metálico

Antorcha de oxigas

La plancha fría restringe la dilatación del cordón de soldadura calentado

Agua y agua en spray

Manguera para el aire

Manguera para el agua

Las áreas calentadas se contraen posteriormente durante su enfriamiento 78

ENDEREZADO POR LLAMA ¾ Los aceros estructurales, los aceros para recipientes a presión y los aceros bonificables pueden ser enderezados por llama. ¾ Para ello, es importante que la temperatura de enderezado nunca sobrepase los 700°C (en el caso de los aceros bonificados nunca más alta que su temperatura de revenido). ¾ El calentamiento debe efectuarse en llama neutra o en llama oxidante. En este último caso, al haber una mayor temperatura e intensidad de llama, el tiempo de enderezado se reduce. 79

ENDEREZADO POR LLAMA ¾ En el caso de los aceros inoxidables es importante calentar la superficie con llama oxidante (tiempos de permanencia cortos) y enfriar rápidamente con agua o aire comprimido inmediatamente después del calentamiento. ¾ El aluminio y sus aleaciones se pueden enderezar por llama (neutra) calentando la pieza entre 350° y 400°C. ¾ Dependiendo del tipo de pieza a enderezar, el calor se aplica en forma de puntos, franjas, cuñas, óvalos y combinaciones de éstos. 80

ENDEREZADO POR LLAMA

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ENDEREZADO POR LLAMA

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ENDEREZADO POR LLAMA

Enderezado de plancha curvada

Enderezado de plancha alabeada

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ENDEREZADO POR LLAMA

Cuando se desea un efecto de curvatura más fuerte, por ejemplo, para enderezar vigas, se usan cuñas de calor. 84

ENDEREZADO POR LLAMA

El óvalo de calor se emplea en el enderezado de tubos deformados por la soldadura de uniones.

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