Los soldadores principiantes e incluso los que tienen más experiencia comúnmente luchan con el problema de la distorsión de la soldadura (deformación de la placa base causada por el calor del arco de soldadura). La distorsión es problemática por varias razones, pero una de las más críticas es la posible creación de una soldadura que no es estructuralmente sólida. Este artículo ayudará a definir qué es la distorsión de la soldadura y luego proporcionará una comprensión práctica de las causas de la distorsión, los efectos de la contracción en varios tipos de ensamblajes soldados y cómo controlarla, y finalmente analizará los métodos para el control de la distorsión.

¿Qué es la distorsión de la soldadura?
La distorsión en una soldadura resulta de la expansión y contracción del metal de soldadura y el metal base adyacente durante el ciclo de calentamiento y enfriamiento del proceso de soldadura. Hacer todas las soldaduras en un lado de una pieza causará mucha más distorsión que si las soldaduras se alternan de un lado a otro. Durante este ciclo de calentamiento y enfriamiento, muchos factores afectan la contracción del metal y conducen a la distorsión, como las propiedades físicas y mecánicas que cambian a medida que se aplica calor. Por ejemplo, a medida que aumenta la temperatura del área de soldadura, el límite elástico, la elasticidad y la conductividad térmica de la placa de acero disminuyen, mientras que la expansión térmica y el calor específico aumentan (Fig. 3-1). Estos cambios, a su vez, afectan el flujo de calor y la uniformidad de la distribución del calor.

Fig. 3-1 Los cambios en las propiedades del acero con aumentos de temperatura complican el análisis de lo que sucede durante el ciclo de soldadura y, por lo tanto, la comprensión de los factores que contribuyen a la distorsión de la soldadura.

Razones de la distorsión
Para entender cómo y por qué se produce la distorsión durante el calentamiento y enfriamiento de un metal, considere la barra de acero que se muestra en la figura 3-2. A medida que la barra se calienta uniformemente, se expande en todas direcciones, como se muestra en la figura 3-2 (a). A medida que el metal se enfría a temperatura ambiente, se contrae uniformemente a sus dimensiones originales.

Fig. 3-2 Si una barra de acero se calienta uniformemente mientras no está sujeta, como en (a), se expandirá en todas las direcciones y volverá a sus dimensiones originales al enfriarse. Si se restringe, como en (b), durante el calentamiento, puede expandirse solo en la dirección vertical - hacerse más grueso. Al enfriarse, la barra deformada se contrae uniformemente, como se muestra en (c) y, por tanto, se deforma permanentemente. Esta es una explicación simplificada de la causa básica de distorsión en los ensamblajes de soldadura.

Pero si la barra de acero se sujeta -como en un tornillo de banco- mientras se calienta, como se muestra en la figura 3-2 (b), la expansión lateral no puede tener lugar. Pero, dado que la expansión del volumen debe ocurrir durante el calentamiento, la barra se expande en una dirección vertical (en espesor) y se vuelve más gruesa. A medida que la barra deformada vuelve a la temperatura ambiente, todavía tenderá a contraerse uniformemente en todas las direcciones, como en la figura 3-2 (c). La barra ahora es más corta, pero más gruesa. Se ha deformado o distorsionado permanentemente. (Para simplificar, los bocetos muestran que esta distorsión ocurre solo en el grosor. Pero en realidad, la longitud se ve afectada de manera similar).

En una junta soldada, estas mismas fuerzas de expansión y contracción actúan sobre el metal de soldadura y sobre el metal base. A medida que el metal de soldadura se solidifica y se fusiona con el metal base, se expande al máximo. Al enfriarse, intenta contraerse al volumen que normalmente ocuparía a la temperatura más baja, pero el metal base adyacente lo impide. Debido a esto, se desarrollan tensiones dentro de la soldadura y el metal base adyacente. En este punto, la soldadura se estira (o cede) y se adelgaza, ajustándose así a los requisitos de volumen de la temperatura más baja. Pero solo aquellas tensiones que exceden el límite elástico del metal de soldadura se alivian con este esfuerzo. Para cuando la soldadura alcance la temperatura ambiente, asumiendo una restricción completa del metal base para que no se pueda mover, la soldadura contendrá tensiones de tracción bloqueadas aproximadamente iguales al límite elástico del metal. Si se eliminan las restricciones (abrazaderas que sujetan la pieza de trabajo o una fuerza de contracción opuesta), las tensiones residuales se alivian parcialmente ya que hacen que el metal base se mueva, distorsionando así la soldadura.

Control de contracción: lo que puede hacer para minimizar la distorsión
Para prevenir o minimizar la distorsión de la soldadura, se deben utilizar métodos tanto en el diseño como durante la soldadura para superar los efectos del ciclo de calentamiento y enfriamiento. La contracción no se puede prevenir, pero se puede controlar. Se pueden utilizar varias formas para minimizar la distorsión causada por la contracción:

1. No suelde demasiado
  Cuanto más metal se coloque en una junta, mayores serán las fuerzas de contracción. Dimensionar correctamente una soldadura para los requisitos de la junta no solo minimiza la distorsión, sino que también ahorra tiempo y metal de soldadura. La cantidad de metal de soldadura en una soldadura de filete se puede minimizar mediante el uso de un cordón plano o ligeramente convexo, y en una junta a tope mediante la preparación y el ajuste adecuados de los bordes. El exceso de metal de soldadura en un cordón altamente convexo no aumenta la resistencia permitida en el trabajo de código, pero sí aumenta las fuerzas de contracción.

Al soldar chapa gruesa (de más de 1 pulgada de espesor), el biselado o incluso el biselado doble pueden ahorrar una cantidad sustancial de metal de soldadura, lo que se traduce en mucha menos distorsión automáticamente.

En general, si la distorsión no es un problema, seleccione la junta más económica. Si la distorsión es un problema, seleccione una junta en la que las tensiones de soldadura se equilibren entre sí o una junta que requiera la menor cantidad de metal de soldadura.

2. Utilice soldadura intermitente
Otra forma de minimizar el metal de soldadura es usar soldaduras intermitentes en lugar de continuas cuando sea posible, como en la figura 3-7 (c). Para unir refuerzos a la placa, por ejemplo, las soldaduras intermitentes pueden reducir el metal de soldadura hasta en un 75 por ciento y aun así proporcionar la resistencia necesaria.

Fig. 3-7 La distorsión se puede prevenir o minimizar mediante técnicas que anulan, o utilizan de manera constructiva, los efectos del ciclo de calentamiento y enfriamiento.

3. Use as few weld passes as possible
Fewer passes with large electrodes, Fig. 3-7(d), are preferable to a greater number of passes with small electrodes when transverse distortion could be a problem. Shrinkage caused by each pass tends to be cumulative, thereby increasing total shrinkage when many passes are used.

4. Coloque soldaduras cerca del eje neutro
La distorsión se minimiza proporcionando un apalancamiento más pequeño para que las fuerzas de contracción desalineen las placas. La figura 3-7 (e) ilustra esto. Tanto el diseño de la soldadura como la secuencia de soldadura se pueden utilizar de forma eficaz para controlar la distorsión.

Fig. 3-7 La distorsión se puede prevenir o minimizar mediante técnicas que anulan, o utilizan de manera constructiva, los efectos del ciclo de calentamiento y enfriamiento.

5. Equilibre las soldaduras alrededor del eje neutro
Esta práctica, que se muestra en la figura 3-7 (f), compensa una fuerza de contracción con otra para minimizar efectivamente la distorsión de la soldadura. Aquí, también, el diseño del ensamblaje y la secuencia adecuada de soldadura son factores importantes.

6. Utilice soldadura de retroceso
En la técnica de retroceso, la progresión general de la soldadura puede ser, digamos, de izquierda a derecha, pero cada segmento de cordón se deposita de derecha a izquierda como en la figura 3-7 (g). A medida que se coloca cada segmento de cuentas, los bordes calentados se expanden, lo que separa temporalmente las placas en B. Pero a medida que el calor se desplaza a través de la placa hacia C, la expansión a lo largo de los bordes exteriores CD vuelve a juntar las placas. Esta separación es más pronunciada cuando se coloca la primera cuenta. Con cordones sucesivos, las placas se expanden cada vez menos debido a la restricción de soldaduras anteriores. Es posible que el retroceso no sea eficaz en todas las aplicaciones y no se puede utilizar de forma económica en la soldadura automática.

Fig. 3-7 La distorsión se puede prevenir o minimizar mediante técnicas que anulan, o utilizan de manera constructiva, los efectos del ciclo de calentamiento y enfriamiento.

7. Anticipe las fuerzas de contracción
El preajuste de las piezas (a primera vista, pensé que esto se refería a posiciones de soldadura por encima de la cabeza o verticales, que no es el caso) antes de soldar puede hacer que la contracción realice un trabajo constructivo. En la figura 3-7 (h) se muestran varios conjuntos, predeterminados de esta manera. La cantidad de preajuste requerida para la contracción para alinear las placas se puede determinar a partir de unas pocas soldaduras de prueba.

Predoblar, preestablecer o prerrestar las piezas a soldar, Fig. 3-7 (i), es un ejemplo simple del uso de fuerzas mecánicas opuestas para contrarrestar la distorsión debida a la soldadura. La parte superior de la ranura de soldadura, que contendrá la mayor parte del metal de soldadura, se alarga cuando las placas están predeterminadas. Por tanto, la soldadura completa es un poco más larga de lo que sería si se hubiera realizado en la placa plana. Cuando se sueltan las abrazaderas después de soldar, las placas vuelven a la forma plana, lo que permite que la soldadura alivie sus tensiones de contracción longitudinal acortando a una línea recta. Las dos acciones coinciden y las placas soldadas adquieren la planitud deseada.

Otra práctica común para equilibrar las fuerzas de contracción es colocar soldaduras idénticas espalda con espalda, Fig. 3-7 (j), sujetándolas firmemente entre sí. Las soldaduras se completan en ambos conjuntos y se dejan enfriar antes de soltar las abrazaderas. El predoblado se puede combinar con este método insertando cuñas en posiciones adecuadas entre las piezas antes de sujetar.

En soldaduras pesadas, en particular, la rigidez de los miembros y su disposición entre sí pueden proporcionar las fuerzas de equilibrio necesarias. Si estas fuerzas de equilibrio naturales no están presentes, es necesario utilizar otros medios para contrarrestar las fuerzas de contracción en el metal de soldadura. Esto se puede lograr equilibrando una fuerza de contracción contra otra o creando una fuerza opuesta a través de la fijación. Las fuerzas opuestas pueden ser: otras fuerzas de contracción; fuerzas de restricción impuestas por abrazaderas, plantillas o accesorios; fuerzas restrictivas que surgen de la disposición de los miembros en la asamblea; o la fuerza del pandeo en un miembro debido a la gravedad.

8.  Plan the welding sequence
A well-planned welding sequence involves placing weld metal at different points of the assembly so that, as the structure shrinks in one place, it counteracts the shrinkage forces of welds already made. An example of this is welding alternately on both sides of the neutral axis in making a complete joint penetration groove weld in a butt joint, as in Fig. 3-7(k). Another example, in a fillet weld, consists of making intermittent welds according to the sequences shown in Fig. 3-7(l). In these examples, the shrinkage in weld No. 1 is balanced by the shrinkage in weld No. 2.

Fig. 3-7 Distortion can be prevented or minimized by techniques that defeat - or use constructively - the effects of the heating and cooling cycle.

Clamps, jigs, and fixtures that lock parts into a desired position and hold them until welding is finished are probably the most widely used means for controlling distortion in small assemblies or components. It was mentioned earlier in this section that the restraining force provided by clamps increases internal stresses in the weldment until the yield point of the weld metal is reached. For typical welds on low-carbon plate, this stress level would approximate 45,000 psi. One might expect this stress to cause considerable movement or distortion after the welded part is removed from the jig or clamps. This does not occur, however, since the strain (unit contraction) from this stress is very low compared to the amount of movement that would occur if no restraint were used during welding.

9. Eliminar las fuerzas de contracción después de soldar.
El granallado es una forma de contrarrestar las fuerzas de contracción de un cordón de soldadura cuando se enfría. Esencialmente, el granallado del cordón lo estira y lo hace más delgado, aliviando así (por deformación plástica) las tensiones inducidas por la contracción cuando el metal se enfría. Pero este método debe usarse con cuidado. Por ejemplo, nunca se debe pulir un cordón de raíz, debido al peligro de ocultar una grieta o causar una. Generalmente, no se permite el granallado en la pasada final, debido a la posibilidad de cubrir una grieta e interferir con la inspección, y debido al efecto indeseable de endurecimiento por trabajo. Por lo tanto, la utilidad de la técnica es limitada, aunque ha habido casos en los que el granallado entre pasadas resultó ser la única solución para un problema de distorsión o agrietamiento. Antes de utilizar el granallado en un trabajo, se debe obtener la aprobación de ingeniería.

Otro método para eliminar las fuerzas de contracción es mediante el alivio de la tensión térmica: calentamiento controlado de la soldadura a una temperatura elevada, seguido de enfriamiento controlado. A veces, dos piezas soldadas idénticas se sujetan espalda con espalda, se sueldan y luego se alivian la tensión mientras se mantienen en esta condición recta. De esta manera se minimizan las tensiones residuales que tenderían a deformar las soldaduras.

10. Minimice el tiempo de soldadura
Dado que durante la soldadura tienen lugar ciclos complejos de calentamiento y enfriamiento, y dado que se requiere tiempo para la transmisión de calor, el factor tiempo afecta la distorsión. En general, es deseable terminar la soldadura rápidamente, antes de que un gran volumen de metal circundante se caliente y se expanda. El proceso de soldadura utilizado, el tipo y tamaño del electrodo, la corriente de soldadura y la velocidad de desplazamiento, por lo tanto, afectan el grado de contracción y distorsión de una soldadura. El uso de equipos de soldadura mecanizados reduce el tiempo de soldadura y la cantidad de metal afectado por el calor y, en consecuencia, la distorsión. Por ejemplo, depositar una soldadura de tamaño determinado en una placa gruesa con un proceso que opera a 175 amperios, 25 voltios y 3 ipm requiere 87,500 joules de energía por pulgada lineal de soldadura (también conocido como entrada de calor). Una soldadura con aproximadamente el mismo tamaño producida con un proceso que opera a 310 amperios, 35 voltios y 8 ipm requiere 81,400 joules por pulgada lineal. La soldadura hecha con la mayor entrada de calor generalmente da como resultado una mayor cantidad de distorsión. (nota: no quiero usar las palabras "excesivo" y "más de lo necesario" porque el tamaño de la soldadura está, de hecho, ligado a la entrada de calor. En general, el tamaño de la soldadura de filete (en pulgadas) es igual a la raíz cuadrada de la cantidad de entrada de calor (kJ / pulg.) dividida por 500. Por lo tanto, es muy probable que estas dos soldaduras no sean del mismo tamaño.

Otras técnicas para el control de la distorsión

Plantilla refrigerada por agua
Se han desarrollado varias técnicas para controlar la distorsión en soldaduras específicas. En la soldadura de chapa, por ejemplo, una plantilla enfriada por agua (Fig. 3-33) es útil para alejar el calor de los componentes soldados. Los tubos de cobre se sueldan o sueldan a abrazaderas de sujeción de cobre, y el agua circula a través de los tubos durante la soldadura. La restricción de las abrazaderas también ayuda a minimizar la distorsión.

Fig. 3-33 Una plantilla refrigerada por agua para una rápida eliminación del calor al soldar chapas metálicas.

Espalda fuerte
El "respaldo fuerte" es otra técnica útil para el control de la distorsión durante la soldadura a tope de placas, como en la figura 3-34 (a). Los clips se sueldan al borde de una placa y las cuñas se introducen debajo de los clips para forzar la alineación de los bordes y sujetarlos durante la soldadura.

Fig. 3-34 Varias disposiciones de respaldo para controlar la distorsión durante la soldadura a tope.

Alivio del estrés térmico
Excepto en situaciones especiales, el alivio de tensión mediante calentamiento no se utiliza para corregir la distorsión. Sin embargo, hay ocasiones en las que es necesario aliviar la tensión para evitar que se produzcan más distorsiones antes de que se termine la soldadura.

Resumen: una lista de verificación para minimizar la distorsión

Follow this checklist in order to minimize distortion in the design and fabrication of weldments:

• No suelde demasiado
• Control de ajuste
• Utilice soldaduras intermitentes siempre que sea posible y de acuerdo con los requisitos de diseño.

• Utilice el tamaño de pata más pequeño permitido al soldar en ángulo
• Para soldaduras de ranura, use juntas que minimicen el volumen de metal de soldadura. Considere juntas de doble cara en lugar de juntas de un solo lado
• Suelde alternativamente en cualquier lado de la junta cuando sea posible con soldaduras de múltiples pasadas
• Utilice un número mínimo de pasadas de soldadura
• Utilice procedimientos de entrada de calor baja. Esto generalmente significa altas tasas de deposición y velocidades de desplazamiento más altas.
• Utilice posicionadores de soldadura para lograr la máxima cantidad de soldadura en posición plana. La posición plana permite el uso de electrodos de gran diámetro y procedimientos de soldadura de tasa de deposición
• Equilibrar las soldaduras sobre el eje neutro del miembro
• Distribuya el calor de soldadura lo más uniformemente posible a través de una secuencia de soldadura planificada y el posicionamiento de la soldadura.
• Soldadura hacia la parte desenfrenada de la miembro
• Use abrazaderas, accesorios y respaldos fuertes para mantener el ajuste y la alineación
• Predoble los miembros o preestablezca las uniones para permitir que la contracción los vuelva a alinear
• Secuenciar los subconjuntos y los ensamblajes finales para que las soldaduras que se realizan se equilibren continuamente alrededor del eje neutro de la sección.

Seguir estas técnicas ayudará a minimizar los efectos de la distorsión y las tensiones residuales.