Revista Científica de Ingeniería, Industria y Arquitectura
Vol.8, Núm.16 (jul-dic 2025) ISSN: 2737-6451
Cita sugerida: Salgado-Cedeño, E., & Paredes-Mera, F. (2025). Análisis de
la distorsión inducida por soldadura y la tensión residual en placas de acero y
su efecto en la resistencia al pandeo. Revista Científica FINIBUS – Ingeniería,
Industria y Arquitectura, 8(16), 95-105.
https://doi.org/10.56124/finibus.v8i16.010
DOI: https://doi.org/10.56124/finibus.v8i16.010
Recibido: 11-04-2025 Revisado: 25-05-2025
Aceptado: 04-06-2025 Publicado: 01-07-2025
Artículo de investigación
Análisis de la distorsión inducida por soldadura y la
tensión residual en placas de acero y su efecto en la
resistencia al pandeo
Erick Salgado-Cedeño
[1]
Francisco Paredes-Mera
[2]
[1] Facultad de Ingeniería, Industria y Arquitectura. Universidad Laica Eloy Alfaro de Manabí (ULEAM). Manta, Ecuador.
Autor para correspondencia: francisco.parades@uleam.edu.ec
Resumen
La soldadura es una tecnología ampliamente utilizada en la industria de la construcción naval para conectar componentes.
Debido a que la soldadura requiere una gran entrada de calor a la pieza soldada, provoca deformación de la pieza soldada,
tensión residual y deformación, afectando la geometría y la resistencia del componente después de la soldadura. Esta
investigación utiliza software de análisis de elementos finitos para simular el proceso de soldadura de la placa y la tensión
residual y la deformación de la soldadura resultantes, y analiza la resistencia al pandeo de la placa después de la soldadura. Al
realizar un análisis de resistencia al pandeo utilizando elementos sólidos y elementos de placa respectivamente, confirmamos
que la temperatura de soldadura aumentará la deformación posterior a la soldadura y ampliará el rango de distribución de
tensiones residuales, afectando así la resistencia al pandeo posterior a la soldadura. Su comportamiento tiende a disminuir a
medida que aumenta la temperatura de soldadura y la resistencia al pandeo disminuye del 0,2%. a 0.4%.
Palabras Clave: Simulación; método de elementos finitos; soldadura; deformación de materiales.
Analysis of welding-induced distortion and residual stress in steel plates and their effect on
buckling resistance
Abstract
Welding is a technology widely used in the shipbuilding industry to connect components. Because welding requires large heat
input to the welded part, it causes deformation of the welded part, residual stress and deformation, affecting the geometry and
strength of the component after welding. This research uses finite element analysis software to simulate the plate welding
process and the resulting residual stress and weld deformation, and analyzes the buckling resistance of the plate after welding.
By performing buckling resistance analysis using solid elements and plate elements respectively, we confirmed that the welding
temperature will increase the post-weld deformation and widen the residual stress distribution range, thereby affecting the post-
weld buckling resistance. Its behavior tends to decrease as the welding temperature increases and the buckling resistance
decreases by 0.2%. to 0.4%.
Keywords: Simulation; finite element method; welding; material deformation.
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Salgado-Cedeño & Paredes-Mera (2025) https://doi.org/10.56124/finibus.v8i16.010
1. Introducción
La soldadura es una tecnología ampliamente utilizada en la
industria de la construcción naval para conectar
componentes. Los tipos de soldadura se pueden dividir en
soldadura de estado sólido y soldadura de estado fundido.
Los astilleros suelen utilizar soldadura con máscara de metal
(SMAW) y soldadura con protección de gas (GMAW), que
pertenecen al estado fundido. La soldadura por fusión
necesita introducir una gran cantidad de calor en la
soldadura, lo que conducirá a la deformación de la soldadura,
y causará tensión residual y deformación de la soldadura
dentro de la soldadura, lo que afectará la geometría y la
resistencia de la pieza soldada.
Esta investigación utiliza un software de análisis de
elementos finitos para simular el proceso de soldadura de
placas y la tensión residual resultante y la deformación de la
soldadura, y analiza la resistencia al pandeo de la placa
después de la soldadura. La simulación de elementos finitos
se divide en dos partes: el primer paso utiliza elementos
sólidos para simular el proceso de soldadura y calentamiento
de placas, y utiliza las propiedades del material a diferentes
temperaturas, como el módulo de Young, el límite elástico,
la relación de Poisson, etc. El segundo paso es cargar la
distribución de desplazamiento y la distribución de tensión
residual causado por la soldadura en la estructura de la
lámina cilíndrica, y estudiar cómo cambiará la resistencia al
pandeo de una lámina cilíndrica debido a la deformación de
la soldadura y la tensión residual.
Al analizar la resistencia al pandeo con elementos sólidos y
elementos de placa, está probado que el modelo simplificado
de elementos de placa tiende a sobrestimar la resistencia al
pandeo después de la soldadura, y el rango de
sobreestimación es de aproximadamente 1%; al simular la
influencia de diferentes temperaturas de soldadura, se prevé
confirmar que la temperatura de soldadura aumentará la
deformación posterior a la soldadura y expandirá el rango de
distribución de tensión residual, lo que afectará la resistencia
al pandeo posterior a la soldadura.
La deformación posterior a la soldadura tiende a subestimar
la resistencia al pandeo con modos de número de onda más
bajos y sobrestimar la resistencia al pandeo con modos de
número de onda más altos, siendo esta la contribución
resultante de esta investigación.
2. Literature Review
2.1 Antecentes
La soldadura es el método básico en el proceso de
construcción y reparación de barcos, y es una de las técnicas
de procesamiento más importantes en la industria de la
construcción naval. La calidad de la soldadura afecta
directamente la resistencia estructural, la confiabilidad y la
vida útil del equipo. Entre los diversos accidentes en las
estructuras soldadas, la mayoría de ellos son fallas por
fragilidad causadas por una resistencia de soldadura
insuficiente. La resistencia de la soldadura se ve afectada por
los materiales de soldadura, los métodos de soldadura, los
requisitos de tratamiento térmico, el contenido de impurezas
de las juntas, la tensión de soldadura, el proceso, el
tratamiento térmico después de la soldadura y así
sucesivamente.
El método de elementos finitos es un método de cálculo
moderno en rápido desarrollo y es una herramienta
extremadamente eficaz para el análisis estático y dinámico
de estructuras. La combinación de tecnología de análisis de
elementos finitos y tecnología de soldadura puede resolver
de manera eficiente muchos problemas prácticos en el
proceso de soldadura y mejorar efectivamente la calidad de
la construcción de soldadura.
Muchos estudiosos han llevado a cabo una extensa
investigación en esta área. Sun et al. (2020) utilizaron el
método de elementos finitos para analizar la resistencia de
soldadura de la broca compacta de diamante y lo verificaron
con los resultados de la prueba. Lee et al. (2017) utilizaron
el método de elementos finitos para calcular la resistencia y
la fatiga de la estructura soldada en forma de T del tanque de
combustible y predijeron su vida útil.
Zhou et al. (2022) utilizaron el método de elementos finitos
para simular la distribución de la temperatura de grieta en la
superficie de la soldadura bajo la excitación de corrientes
parásitas y lo verificaron a través de experimentos. Shen et
al. (2021) utilizaron el método de elementos finitos termo
elastoplásticos para analizar el proceso de soldadura de la
estructura del fondo del barco del esqueleto transversal y
obtuvieron la ley de distribución de la fuerza de restricción
del marco del neumático.
Ahola et al. (2023) estudió la tensión y la tensión de
soldadura de estructuras de barcos grandes y complejas
basándose en la tecnología de análisis de elementos finitos,
que mejoró la calidad de la soldadura de estructuras de
barcos complejas. También utilizó el método de contorno y
el elemento finito termoelástico-plástico basado en
tecnología de computación paralela para estudiar la
distribución de tensión residual interna y el proceso de
cambio de la junta a tope multicanal de múltiples capas de
placa gruesa Q235.
Además de los factores de tensión residual y los factores
metalúrgicos del propio proceso de soldadura que causarán
grietas, la optimización del esquema de soldadura también
es la clave para garantizar la resistencia de la soldadura.
1.2 Teoría numérica de la soldadura
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Análisis de la distorsión inducida por soldadura y la tensión residual en placas de acero y su efecto
en la resistencia al pandeo
La soldadura es una tecnología ampliamente utilizada en
ingeniería para conectar componentes. Los tipos de
soldadura se pueden dividir en soldadura de estado sólido y
soldadura de estado fundido. La soldadura de estado sólido
se define como una técnica de soldadura en la que la
temperatura del material se eleva por debajo del punto de
fusión durante el proceso de, y se utilizan alta presión y
difusión del material para llegar a soldar los componentes.
La soldadura por fusión se define como una técnica de
soldadura en la que la temperatura del material se eleva por
encima del punto de fusión durante el proceso de soldadura,
y el material se funde y se vuelve a solidificar para llegar a
las piezas soldadas.
En términos generales, cuando se sueldan estructuras
grandes, la soldadura con adición de metal (SMAW) y la
soldadura a base de gas (GMAW), que pertenecen a la
soldadura fundida, son las más utilizadas. Ambos tipos de
soldadura utilizan soldadura por fusión de arco y rellenan un
cordón de soldadura.
Para evitar la oxidación de la soldadura a alta temperatura en
contacto con el aire, SMAW usa el componente fundente en
la soldadura para formar una capa protectora para bloquear
el aire, y GMAW usa gas inerte para proteger la soldadura del
aire durante el proceso. Para el cambio de temperatura de los
dos métodos de soldadura durante el proceso de soldadura,
se puede calcular la ecuación de control de transferencia de
calor para obtener el historial de cambio de temperatura de
la soldadura. La ecuación es la siguiente:
(1)
Dónde:
es la densidad del material en kg/m
3
,
c es el calor específico del material en J/kgK,
q es el flujo de calor perdido por el material en
W/m
2
Q es la energía interna generada en el interior el
material, en W/m
3
.
Para la soldadura, el material en sí no produce energía
interna, y todos los cambios de temperatura provienen del
flujo de calor, donde el flujo de calor se puede dividir en la
suma del flujo de calor introducido por el arco de soldadura
q
w
, la superficie de soldadura compuesta por el flujo de calor
perdido por convección de calor q
c
y el flujo de calor perdido
por radiación en la superficie de la soldadura q
r
,
representados por la siguiente ecuación:
(2)
Dado que el entorno general de soldadura lo controla la
convección del aire cuando se enfría la pieza soldada, la
convección de calor entre la pieza soldada y el aire es estable
y no cambia drásticamente con el tiempo. Podemos definir
el flujo de disipación de calor por convección de calor de la
pieza soldada según a la ley de enfriamiento de Newton, la
ecuación es la siguiente:
(3)
Dónde:
h
c
es el coeficiente de convección de calor de la
soldadura en el aire, y la unidad es W/m
2
K. Este
coeficiente se puede obtener por medición
experimental. En términos generales, a temperatura
ambiente donde no hay flujo de aire, este valor es
de 10 a 20 W/m
2
K
T
s
es la temperatura de la superficie de la soldadura,
en ºK
T
0
es la temperatura ambiente, en ºK;
Debido a la temperatura extremadamente alta de la superficie
durante la soldadura, el calor perdido por radiación en la
superficie de la soldadura es mucho mayor que la energía de
radiación reflejada por la soldadura, por lo que podemos
suponer que la radiación térmica de la soldadura sigue la ley
de Stefan-Boltzmann, mediante la siguiente ecuación.
(4)
Dónde:
es la emisividad de la soldadura, que es cuando
se supone que la soldadura es un cuerpo negro o 1
es la constante de Stefan-Potts, que es
5.6701x10
-8
W/m
2
K
4
Suponiendo que en el arco de soldadura todo el calor ingresa
al baño de soldadura a través de la soldadura fundida y luego
se transmite indirectamente a la estructura, por lo que
podemos escribir el flujo de calor transmitido por el arco de
soldadura como:
(5)
Dónde:
Q
w
es el calor transferido de la soldadura al cuerpo,
en W.
v es el volumen del baño de soldadura, en m
3
.
Además, el calor Qw de la soldadura es proporcional a la
energía del arco de soldadura, y la relación es la siguiente:
(6)
Dónde el calor de soldadura Qw se puede obtener
multiplicando la corriente de soldadura I por el voltaje de
soldadura U y luego usando la eficiencia del arco η para
reflejar el fenómeno de que parte de la energía del arco se
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pierde en el aire y no entra por completo al cordón de
soldadura.
3. Metodología
3.1. Chapas lineales
En el pasado, la simulación de soldadura con el método de
elementos finitos necesita llevar a cabo primero la
simulación de transferencia de calor y luego obtener el
historial del campo de temperatura y luego usar el historial
del campo de temperatura como una carga para llevar a cabo
la simulación de mecánica sólida. Este documento utiliza el
software de análisis de elementos finitos ABAQUS Para
confirmar que el método de simulación es correcto, este
documento selecciona los datos experimentales en la
literatura propuesta por Feng et al. (2021) como una
comparación. A continuación, se presenta la configuración
experimental de la literatura, la configuración de la
simulación de elementos finitos, y se compara con los
resultados de desplazamiento y tensión de la simulación de
soldadura.
3.1.1. Modelo de elementos finitos y parámetros de
material
En la literatura propuesta por Feng en 2021, se usó GMAW
para soldar la placa plana para explorar la influencia de
diferentes entradas de calor de soldadura en la deformación
posterior a la soldadura de la placa delgada (Ver Figura 1).
Figura 1: Geometría de la placa delgada y del cordón de
soldadura.
La geometría de la placa delgada de referencia para este
estudio es de 300mm de largo; 90mm de ancho con un
espesor de 2 mm, como se muestra en la Figura 1 (A), con
un cordón de soldadura con una longitud de 260 mm; un
ancho de 6 mm; una altura de 1.5 mm está soldado por
GMAW en el centro de la placa delgada.
La deformación para este tipo de soldadura es severa, por lo
que la literatura ha establecido la geometría del cordón de
soldadura en la simulación por el método de elementos
finitos, pero la literatura no describe la forma del refuerzo de
soldadura en detalle, y solo brinda información sobre la
altura del refuerzo de soldadura, como se muestra en la
Figura 1 (B).
Figura 2: Modelo de malla pieza soldada
El modelo de cuadrícula establecido en el software de
análisis de elementos finitos ABAQUS en este documento,
como se muestra en la Figura 2, se divide en 300 unidades
en la dirección de la longitud, 90 unidades en la dirección del
ancho, 3 unidades en la dirección del espesor y el ancho del
cordón de soldadura en 6 unidades; igualmente dividido en
260 unidades en la dirección de la longitud.
El tipo matemático es la unidad especial de acoplamiento de
mecánica sólida de transferencia de calor de ABAQUS, y
para aumentar la precisión del cálculo y, lo que es más
importante, para reducir el efecto de bloqueo de corte, se
selecciona la unidad de acoplamiento de mecánica sólida de
transferencia de calor de segundo orden C3D20T.
La deformación es enorme, para evitar subestimar la
influencia no lineal causada por los cambios geométricos
drásticos, la función de cálculo no lineal geométrico debe
activarse durante la simulación. El material de la placa es
acero con bajo contenido de carbono Q235, y sus parámetros
de material se pueden dividir en propiedades térmicas y
propiedades sólidas (Figura 3).
Figura 3: Propiedades térmicas placa de acero Q235.
De acuerdo con los parámetros del material proporcionados
Wanzhi Steel (2023), las propiedades térmicas y las
propiedades mecánicas del acero Q235 se muestran en la
Figura 3 y la Figura 4, según sus valores detallados en la
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Análisis de la distorsión inducida por soldadura y la tensión residual en placas de acero y su efecto
en la resistencia al pandeo
Tabla 1 y la Tabla 2 se puede apreciar que el material
atraviesa la temperatura crítica más baja a aproximadamente
750 °C, y la red de acero cambia a cuerpo centrado en la cara,
lo que cambia el comportamiento de la conductividad
térmica con los cambios de temperatura, es decir, pasa de
disminuir con el aumento de temperatura a no cambiar
mucho con el aumento de temperatura.
Tabla 1: Temperatura y propiedades térmicas Q235
Temperatura
(ºC)
Conductividad
Térmica (10
-1
W/mm× ºC)
Densidad
(10
-2
g/mm
3
)
Calor
específico
(J/g × ºC)
0
0.53
0.78
0.4
200
0.5
0.775
0.48
400
0.47
0.77
0.55
600
0.4
0.766
0.77
700
0.33
0.762
0.9
750
0.3
0.757
1.2
800
0.27
0.753
0.84
1000
0.28
0.748
0.8
1300
0.3
0.744
0.75
1400
0.33
0.739
0.73
1450
1
0.735
1.2
1500
1
0.73
1.01
Figura 4: Propiedades mecánicas placa de acero Q235.
Tabla 2: Temperatura y propiedades mecánicas Q235.
Temperatura
(ºC)
Módulo de
Young
(Gpa)
Límite
elástico
(Mpa)
Coeficiente
térmico de
expansión
(10
-7
/ºC)
Relación
de
Poisson
(10
-2
)
0
235
292
120
27
200
195
256
122.727
28.727
400
170
190
125.455
30.455
600
140
120
128.182
32.182
700
119
65
130.909
33.909
750
109
36
133.636
35.636
800
99
10
136.364
37.364
1000
25
5
139.091
39.091
1300
17
5
141.818
40.818
1400
14
5
144.545
42.545
1450
11.5
5
147.273
44.273
1500
10
5
150
46
Además, el límite elástico también cayó a un valor
extremadamente bajo, lo que significa que el acero pierde
fuerza en este momento.
Con cualquier procesamiento de plasticidad, el material no
tiene la capacidad de generar tensión interna; el acero
comienza a fundirse a unos 1000°C, y el módulo de Young
como propiedad de la fuerza sólida disminuye con el
aumento de la temperatura hasta que el material se funde por
completo a los 1450 °C. El valor es bajo, y la temperatura de
la soldadura general cuando ingresa al cordón de soldadura
generalmente supera los 1450°C, lo que significa que el
cordón de soldadura no tiene rigidez ni resistencia al
comienzo de la formación, y debe esperar hasta que la
temperatura del material descienda a 1000 °C antes de que el
cordón de soldadura se contraiga.
Se genera tensión en el material y cuando la temperatura
desciende a 750 °C, el límite elástico del material aumenta
gradualmente y la tensión generada por la contracción del
cordón de soldadura se convierte en tensión residual positiva
y se almacena alrededor del cordón de soldadura. En
materiales más alejados del cordón, se genera tensión de
compresión para equilibrar la tensión residual positiva y
reducir el esfuerzo del cordón de soldadura.
La conductividad térmica, la densidad, el módulo de Young
y el coeficiente de expansión térmica de las propiedades del
material son todos isotrópicos, la curva de rendimiento del
material es de plasticidad perfecta y el comportamiento de
endurecimiento es isotrópico.
En el experimento de soldadura de placa delgada de Feng, el
origen de las coordenadas del modelo está al principio del
cordón de soldadura y la superficie superior de la placa
delgada, y las condiciones de contorno en la placa delgada
se muestran en la Figura 5. Punto A de la placa delgada
bloquea los grados de libertad de desplazamiento en tres
direcciones, el punto B bloquea la dirección y y el grado de
libertad de desplazamiento direccional z; los puntos C y D
bloquean el grado de libertad de desplazamiento en la
dirección z.
Figura 5: Condiciones de contorno para la soldadura de placas
delgadas.
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La literatura no proporciona valores exactos para el
coeficiente de convección del aire h
c
y coeficiente de
radiación térmica en la simulación de calefacción , solo
muestra que el experimento se realiza en una habitación con
aire a 20°C. Se puede suponer que el coeficiente de
convección es 10W/(mm²K); el coeficiente de radiación
térmica es 1.
Los parámetros de soldadura se establecen como se muestra
en la Tabla 3. La corriente de soldadura es de 160 A, el
voltaje de soldadura es de 19,6 V, la eficiencia del arco es de
0,8. Dado que no se considera el fenómeno de rociado del
arco causado por un voltaje y una corriente de soldadura
excesivos, solo necesitamos conocer el baño de soldadura de
entrada.
Tabla 3: Parámetros de soldadura
Amperaje
(A)
Voltaje
(V)
Eficiencia del
arco
Velocidad
(mm/s)
160
19.6
0.8
10
El calor total en el baño de soldadura se puede calcular de
acuerdo con la ecuación (6), y la entrada de calor total en el
baño de soldadura es 2508.8 W; la velocidad de soldadura es
de 10 mm/s, la posiciones inicial y final coinciden las
posición del cordón de soldadura, la dirección de soldadura
es a lo largo x, la fuente de calor de soldadura utilizada para
simular la entrada de calor es una fuente elíptica con una
distribución uniforme del flujo de calor. Los parámetros del
tamaño de la fuente de calor se establecen de acuerdo con la
geometría del cordón de soldadura, como se muestra en la
Tabla 4.
Tabla 4: Tamaño de fuente de calor de soldadura de la chapa de
acero
(a)mm
(b) mm
(c) mm
3
4
1.5
El eje menor a lo largo de la dirección y es de 3 mm, el eje
largo en la dirección x es de 4 mm, la profundidad es de 1,5
mm. La temperatura inicial del material de la placa delgada
se establece en 20°C antes de que comience la soldadura.
A partir de la velocidad de soldadura y la longitud del cordón
de soldadura, se puede saber que el calentamiento de la
soldadura dura 26 segundos, y para garantizar el
enfriamiento completo de la placa delgada, el tiempo de
enfriamiento será de al menos 1000 segundos.
3.2. Chapas cilíndricas o tuberías
A través de la verificación de la simulación de soldadura de
una chapa de acero del punto anterior, se logró conocer la
configuración del método de elementos finitos para simular
la soldadura, que incluye:
1. Uso de transferencia de calor-elementos acoplados
de fuerza sólida
2. Uso de elementos de segundo orden para evitar el
bloqueo por corte
3. Para aumentar la resolución del campo de
desplazamiento y el campo de tensión cerca del
cordón de soldadura, se aumenta el tamaño de la
malla cerca del cordón de soldadura.
4. Para el análisis de acoplamiento de transferencia de
calor-fuerza sólida del método de elementos finitos,
la relación entre el voltaje de soldadura y la
corriente de soldadura y otros parámetros no
afectan el resultado de soldadura, solo se requiere
la entrada de calor total por soldadura.
Figura 6: Parámetros geométricos chapa cilíndrica.
Solo es necesario especificar la entrada de calor total para la
soldadura. En base a esto, se realiza la simulación de
soldadura de una chapa cilíndrica, cuyo modelo geométrico
se muestra en la Figura 6. Es una estructura cilíndrica de 300
mm de largo, 300 mm de diámetro y 2.5 mm de espesor, y el
origen de las coordenadas cilíndricas está en una longitud de
150 mm, se realiza la soldadura circunferencial y el modelo
comienza a estudiar el método de simulación del recipiente
a presión de soldadura y su estado posterior a ella.
3.2.1. Modelo de elementos finitos y parámetros de
material
Se realiza una división de malla en ABAQUS, para aumentar
la resolución cerca del cordón de soldadura sin aumentar
excesivamente el número de elementos, 6 elementos se
dividen por igual en 216 elementos cada 10 grados en la
dirección circunferencial, 3 elementos se dividen por igual
en la dirección del espesor; la dirección longitudinal se
divide en 50 unidades, y la división desigual es la culata más
densa y la más escasa en el cordón de soldadura.
Se utiliza la unidad de acoplamiento de fuerza sólida de
transferencia de calor C3D20T. También para reducir el
efecto de bloqueo de corte, se utiliza la unidad de segundo
orden de aproximación, y para evitar subestimar la
deformación posterior a la soldadura, el cálculo también
101
Vol.8, Núm.16 (jul-dic 2025) ISSN: 2737-6451
Análisis de la distorsión inducida por soldadura y la tensión residual en placas de acero y su efecto
en la resistencia al pandeo
tiene en cuenta la influencia de la no linealidad geométrica,
como se muestra en la Figura 7 el material de la pieza
cilíndrica también es acero Q235, y sus propiedades térmicas
y sólidas se muestran en la Tabla 1.
Figura 7: Diagrama de malla de la chapa de acero cilíndrica
En la Tabla 2, la conductividad térmica, la densidad, el
módulo de Young y el coeficiente de expansión térmica en
las propiedades del material son todos isotrópicos, la curva
de rendimiento es de rendimiento perfecto y el
comportamiento de endurecimiento por deformación es un
endurecimiento por deformación isótropo. Las condiciones
límite de la soldadura de pieza cilíndrica se muestran en la
Figura 8. El extremo izquierdo bloquea los grados de
libertad de desplazamiento radial y circunferencial, el
extremo derecho bloquea los grados de libertad de
desplazamiento en tres direcciones y ninguno de los
extremos bloquea los grados de libertad de rotación.
Figura 8: Condiciones límite se soldadura de la chapa de acero
cilíndrica.
La soldadura se realiza en sentido antihorario a lo largo del
cordón de soldadura, la temperatura ambiente se fija en
20°C, el coeficiente de convección del aire h
c
es 10
-5
W/(mm
2
K), el coeficiente de radiación térmica
es 1, los parámetros
de soldadura se muestran en la Tabla 5, el calor de entrada
total es de 2400 W, la velocidad de soldadura es de 3,6
grados/s, la soldadura comienza en la posición donde y es 0
en el primer cuadrante de las coordenadas globales y se
detiene la soldadura en la misma posición.
Tabla 5: Parámetros de soldadura chapa cilíndrica.
Calor de entrada (W)
Velocidad (grados/s)
2400
3.6
Se simula con una configuración de una fuente de calor
elíptica con una distribución uniforme del flujo de calor. Los
parámetros de tamaño se muestran en la Tabla 6. La longitud
del semieje a lo largo de la dirección radial es de 2,5 mm, la
longitud del semieje a lo largo de la dirección del anillo es
de 10 mm, el semieje la longitud a lo largo de la dirección
del eje z es de 5 mm, luego se puede establecer por la
velocidad de soldadura y la longitud de soldadura que el
calentamiento de soldadura dura 100 segundos, y para
enfriar completamente la pieza cilíndrica, se configura una
duración de 1000 segundos.
Tabla 6: Parámetros de la fuente de calor de soldadura de la
chapa cilíndrica
(a)mm
(b) mm
(c) mm
2.5
10
5
4. Resultados
4.1. Chapa Lineal
4.1.1. Resultados de la tensión residual en la dirección
de soldadura
El experimento en la literatura de Feng et al., (2021), la
simulación y la deformación realizada por el software de
análisis de elementos finitos ABAQUS en este documento se
muestran en la Figura 9 y la Figura 10.
La deformación presenta una forma de silla de mostrar.
Como se muestra en la Error! Reference source not
found., comparando el desplazamiento vertical en el medio
del espesor de la placa delgada, se puede encontrar que en el
ABAQUS la simulación del método de elementos finitos, la
no linealidad geométrica no se considera para los resultados
de la simulación de soldadura de placa delgada, y el
desplazamiento es mucho menor que el desplazamiento de la
placa delgada en el experimento.
Teniendo en cuenta la no linealidad geométrica, el
desplazamiento de la simulación de soldadura de placa
delgada es ligeramente mayor que el desplazamiento de
placa delgada experimental, con un error de
aproximadamente 5.485%. La razón es que el modelo de
elementos finitos en este documento solo se describe por un
sector.
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Figura 9: Deformación de placa delgada experimental después de
soldar. Feng et al., (2021)
Figura 10: Simulación de deformación de la chapa después de
soldar
Figura 11: Comparación de deformación de chapa soldada.
La geometría de la sección transversal del cordón de
soldadura no puede confirmarse a partir de los experimentos
en el literatura, lo que resulta en una gran deformación; y
comparando la tensión normal en la dirección paralela al
cordón de soldadura en las superficies superior e inferior de
la superficie media de la placa delgada, como se muestra en
la Figura 12, se puede ver que la tensión normal cerca del
cordón de soldadura está cerca del límite elástico del
material, diferencia que ha aparecido en la mayoría de las
publicaciones de investigación que utilizan la simulación
numérica como método.
Figura 12: Comparación de la distribución del límite elástico de
la chapa con la superficie inferior
La tensión normal en el lugar debe ser ligeramente mayor
que el límite elástico original del material. La razón es que
la temperatura máxima durante la soldadura es
probablemente mucho más alta que la temperatura crítica
baja (750°C) del acero. En la investigación del método de
simulación numérica, cuando el cordón de soldadura se
contrae violentamente, el límite elástico del material en el
cordón de soldadura es mucho más bajo que en otros lugares,
por lo que la tensión plástica causada por la contracción del
cordón de soldadura se acumula en el mismo.
El límite elástico en el cordón de soldadura es gradualmente
consistente con otros lugares, y la tensión en el cordón de
soldadura se acerca gradualmente al límite elástico durante
este proceso. En la investigación basada en experimentos,
además del aumento de tensión causado por la contracción
del cordón de soldadura, la alta temperatura también causará
que el límite elástico del acero aumente aún más, lo que hace
que la tensión en el cordón de soldadura sea ligeramente
mayor que la tensión de fluencia inicial del material; además,
se puede ver en la Figura 12 que la distribución de tensión
en las superficies superior e inferior también es consistente
con la del simulación numérica realizada sin considerar la no
linealidad geométrica.
El experimento es diferente. Por otro lado, la simulación
numérica considerando la no linealidad geométrica muestra
que la distribución de tensión en las superficies superior e
inferior puede reflejar con mayor precisión la tensión
residual de soldadura en el experimento.
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Análisis de la distorsión inducida por soldadura y la tensión residual en placas de acero y su efecto
en la resistencia al pandeo
4.1.2. Resultados de la tensión residual en otras
direcciones
Entre las tensiones residuales causadas por la soldadura,
además de la tensión residual obvia en la dirección paralela
al cordón de soldadura, las posiciones de la tensión residual
en otras direcciones que se desvían del plano neutral también
deben verificarse una por una.
La Figura 13 muestra la distribución de la tensión residual
en cada dirección en la superficie media de la chapa de acero,
la tensión residual
xx
en la dirección paralela al cordón de
soldadura y la tensión residual
yy
en la dirección
perpendicular al cordón de soldadura pueden conocerse a
partir del diagrama de distribución solo. La tensión residual
posterior a la soldadura tiene un mayor impacto en la
resistencia estructural.
Figura 13: Diagrama de distribución de tensiones residuales en
la superficie media de la chapa soldada
Luego de inspeccionar individualmente cada tensión residual
en las superficie superior, media e inferior. La Figura 14
muestra la distribución de tensión en la superficie superior.
Se puede encontrar que además de la tensión residual
xx
en
la dirección paralela al cordón de soldadura, la tensión
residual
yy
en la dirección perpendicular al cordón de
soldadura también se ve significativamente afectada.
Figura 14: Distribución de tensión residual en la superficie
superior de la chapa de acero.
Además, también se puede encontrar que la distribución de
la tensión residual disminuye en la soldadura y la Figura 15
permite establecer que la tensión residual
xx
y
yy
en la
dirección paralela y perpendicular al cordón de soldadura
también tiene una influencia obvia como para la distribución
de tensiones en el plano medio, como se muestra en la
Figura 16, solo la tensión residual
xx
en la dirección
paralela al cordón de soldadura tiene una mayor influencia.
Es por ello que los investigadores la ignoran y en esta
investigación es posible omitir algunas tensiones residuales
en el análisis de la resistencia al pandeo.
Figura 15: Distribución de tensión residual en la superficie
inferior de la chapa de acero
Figura 16: Distribución de tensiones residuales en la superficie
media de una chapa de acero
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4.2. Chapa cilíndrica o tubería
4.2.1. Resultados de la simulación después de la soldadura
Con base en los resultados de soldadura de la chapa
cilíndrica simulada por el software de análisis de elementos
finitos ABAQUS, es posible observar la distribución del
desplazamiento radial de la coraza cilíndrica en la dirección
del eje z, como se muestra en la Figura 17.
Figura 17: Distribución de la tensión radial de la chapa
cilíndrica.
Con el resultado de la Figura 18 es posible establecer la
soldadura tiene cierta influencia en el ancho del rango de la
chapa cilíndrica. También se puede encontrar que la
deformación causada por la soldadura tiende de 0 a unos
100mm de distancia del cordón de soldadura, y su
distribución de esfuerzos se muestra en la Figura 19, la cual
es la misma que la de la soldadura de chapa lineal.
Figura 18: Desplazamiento en la mitad del espesor de la chapa
cilíndrica
Se puede establecer que los principales tipos de esfuerzos
que pueden afectar la resistencia post-soldadura son los
esfuerzos residuales en la dirección paralela al cordón de
soldadura y la tensión residual en la dirección perpendicular
al cordón de soldadura. En este ejemplo serían la tensión
circunferencial
TT
y la tensión
zz
en la dirección Z.
Figura 19: Distribución de tensión residual de la chapa cilíndrica
La variación de la tensión residual no es una distribución
lineal simple, lo que significa que, si se utiliza el elemento
chapa lineal para simplificar tensiones ocasiones, puede ser
porque la placa solo puede asumir que la tensión en la
dirección del espesor es una distribución lineal, y se obtienen
resultados de simulación erróneos.
5. Conclusiones
En este estudio, se logró simular la soldadura con el método
de elementos finitos en el pasado, la simulación de soldadura
se dividió en dos partes: simulación de transferencia de calor
y simulación de mecánica de sólidos, y se cambió a
simulación de acoplamiento de transferencia de calor-
mecánica de sólidos
La geometría del modelo experimental se utiliza para simular
el experimento de soldadura mediante FEM y se comparan
los resultados, y se resumen las configuraciones del modelo
del software del método de elementos finitos ABAQUS para
simular la soldadura con acoplamiento de transferencia de
calor-mecánica sólida. Dado que la ecuación gobernante es
una ecuación de acoplamiento de transferencia de calor y
mecánica de sólidos, las condiciones de contorno incluyen
condiciones de contorno de desplazamiento y condiciones de
contorno de disipación de calor.
La tensión residual después de la soldadura es
principalmente la tensión residual en la dirección del cordón
de soldadura paralelo y la tensión residual en la dirección
perpendicular al cordón de soldadura, y los valores de
tensión residual en otras direcciones son menores. Existe un
límite en el rango de influencia de la soldadura sobre la
deformación posterior a la soldadura y la tensión residual de
la carcasa cilíndrica. Más allá de esta distancia, tanto la
deformación posterior a la soldadura como la tensión
residual se aproximan a cero. Esto permite a la ingeniería
analizar la soldadura de estructuras grandes. Superposición
lineal para simplificar los cálculos.
Se logró comparar los cálculos de resistencia al pandeo
basados en la mecánica elástica y la teoría de placas para
analizar las diferencias en el pandeo de la estructura de la
placa, y se simuló la soldadura de dos maneras: considerando
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Análisis de la distorsión inducida por soldadura y la tensión residual en placas de acero y su efecto
en la resistencia al pandeo
la deformación de la soldadura y considerando la
deformación de la soldadura más la tensión residual. La
resistencia al pandeo obtenida al analizar la teoría de la placa
es a menudo mayor que la obtenida mediante el análisis de
la mecánica elástica, pero en geometría simple las dos son
diferentes.
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Contribución de los autores (CRediT)
Salgado-Cedeño, E.: Conceptualización, Diseño de la
investigación, Revisión bibliográfica, Análisis e
interpretación de los datos, Redacción – borrador original del
artículo, Preparación y edición del manuscrito. Paredes-
Mera, F.: Revisión crítica del contenido, Diseño
metodológico-Corrección de estilo, Supervisión académica,
Revisión – edición del artículo.
Todos los autores han leído y aceptado la versión publicada
del manuscrito.
Conflicto de intereses
Los autores han declarado que no existe conflicto de
intereses en esta obra.
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opiniones contenidas en el documento son responsabilidad
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