Control y corrección de la deformación por soldadura en componentes estructurales de chapa delgada: del diseño, los útiles y la medición posterior a la soldadura

Por qué los componentes estructurales de chapa delgada se deforman fácilmente durante la soldadura: aporte térmico, contracción y rigidez

Una soldadura puede tener un aspecto conforme y, sin embargo, impedir el montaje de la pieza: un marco de puerta desnivelado, diagonales de una carcasa desiguales, una placa base ondulada o una brida combada después de soldar. En muchos casos, el retrabajo de componentes estructurales de chapa delgada se debe principalmente a la pérdida de control de la forma y las dimensiones, y no necesariamente a defectos internos de la soldadura. La deformación por soldadura no puede dejarse para después de soldar y corregirse únicamente a golpes; los útiles, la distribución de las soldaduras y la secuencia de soldadura ya han determinado gran parte del riesgo antes de iniciar el arco.

Durante la soldadura, la soldadura y las zonas adyacentes experimentan un calentamiento y enfriamiento locales y rápidos, que generan un campo de temperaturas no uniforme. El metal se dilata al calentarse y vuelve a contraerse al enfriarse; cuando esta contracción está restringida por las chapas, los refuerzos o los útiles, se transforma en tensiones residuales y deformación residual. La propia chapa delgada tiene una rigidez reducida y una capacidad limitada para resistir la flexión, la deformación angular y la inestabilidad. Por ello, cuando la misma cantidad de calor de soldadura se concentra en una zona menor, los cambios de forma suelen ser más evidentes.

El resultado no depende únicamente de la corriente de soldadura. La tensión del arco, la velocidad de soldadura, el aporte térmico por unidad de longitud, la cantidad y la sección de las soldaduras, así como la ejecución continua o intermitente, modifican la magnitud de la contracción y la distribución del calor. También actúan conjuntamente las propiedades termofísicas del material, el espesor de la chapa, la rigidez del componente, la holgura de montaje, la disposición de los puntos de soldadura y el procedimiento de soldadura. Un mayor número de soldaduras o unas dimensiones mayores no significan necesariamente una estructura más estable; una concentración excesiva de calor puede aumentar, por el contrario, el riesgo de flexión y torsión.

Por tanto, durante la revisión del proceso deben comprobarse simultáneamente el plano de soldadura, la rigidez de la estructura, las referencias de montaje y los requisitos de medición posteriores a la soldadura: qué dimensiones permiten dejar un margen de contracción, qué posiciones requieren contradeformación o apoyo y qué superficies deben mantenerse planas. Solo al incorporar estos requisitos a la documentación del proceso se puede transformar la deformación por soldadura de los componentes estructurales de chapa delgada, pasando de ser un problema de retrabajo posterior a la soldadura a convertirse en un aspecto controlado durante las fases de diseño, montaje y soldadura.

Primero hay que determinar el tipo de deformación por soldadura de la chapa delgada: contracción, flexión, deformación angular, ondulación y torsión

Cuando un componente estructural de chapa delgada queda fuera de tolerancia después de soldar, el primer paso no es golpearlo ni calentarlo de inmediato, sino confirmar a qué tipo de deformación pertenece. La contracción longitudinal y transversal suele manifestarse como una longitud, anchura o distancia entre centros de agujeros insuficiente, y normalmente está relacionada con la magnitud de la contracción de las soldaduras, su cantidad y el margen de montaje; la flexión general se manifiesta como un abombamiento o una concavidad del componente a lo largo de su longitud, y es habitual en estructuras con soldaduras descentradas o una distribución asimétrica del calor.

Evaluación en planta de la deformación por soldadura en componentes estructurales de chapa delgada

Al evaluar, deben distinguirse la «contracción dimensional insuficiente» y la «deformación localizada de la forma». La primera debe resolverse prioritariamente durante el corte, el plegado y el ensamblaje; la segunda es la que corresponde abordar mediante la corrección posterior a la soldadura. La corrección mecánica puede dejar marcas de presión o provocar endurecimiento por deformación en frío, mientras que la corrección por llama está limitada por la plasticidad del material, los recubrimientos metálicos y las capas de pintura. Después de cada tratamiento, deben volver a medirse las dimensiones críticas conforme a las referencias del plano; no se puede sustituir el registro de aceptación por un «parece plano».

Cómo reducir la deformación por soldadura de estructuras de chapa delgada durante la fase de diseño

En el caso de las estructuras de chapa delgada, muchos riesgos de deformación por soldadura ya aparecen durante el corte y la elaboración de los planos. Si las soldaduras se concentran en un mismo lado, varias soldaduras se cruzan y superponen, o las soldaduras están alejadas del eje neutro de la sección del componente, la contracción posterior a la soldadura se transforma con mayor facilidad en deformación por flexión, torsión y deformación angular. La revisión del diseño no debe limitarse a comprobar si las soldaduras cumplen los requisitos de resistencia; también debe evaluar cómo se distribuye el calor, si los momentos de contracción están equilibrados y si, después de soldar, el conjunto aún puede ensamblarse e inspeccionarse.

Reducir la deformación por soldadura de estructuras de chapa delgada mediante el número y la disposición de las soldaduras

En primer lugar, deben eliminarse las soldaduras que no tengan una función claramente definida y evitar sustituir el diseño estructural por un tamaño de soldadura excesivo. El tamaño de la soldadura debe cumplir simultáneamente los requisitos de carga, estanqueidad, apariencia y fabricación; no debe interpretarse simplemente como «cuanto más se suelda, más resistente es». Siempre que se cumplan los requisitos funcionales, reducir la longitud de las soldaduras continuas, evitar los cruces innecesarios y disponer las soldaduras opuestas de forma lo más simétrica posible ayuda a distribuir el efecto de la contracción. En placas propensas a la flexión, puede evaluarse la posibilidad de situar las soldaduras cerca del eje neutro de la sección o de reducir el momento excéntrico mediante conexiones simétricas en ambos lados. La forma concreta de la soldadura debe confirmarse considerando las cargas de la unión, el espesor de la chapa, la accesibilidad de la antorcha y los requisitos de calidad de la soldadura.

Controlar la deformación por soldadura mediante una división adecuada de las piezas y la inspeccionabilidad

Cuando un conjunto incluye una placa base de gran superficie, bastidores laterales largos y varios refuerzos, no conviene asumir que debe ensamblarse y soldarse todo de una sola vez. Según las superficies de referencia y las interfaces funcionales, la estructura puede dividirse en piezas pequeñas o subconjuntos fáciles de posicionar, de modo que la acumulación de calor y el rango de contracción libre de cada operación de soldadura sean más fáciles de controlar. Al dividir las piezas, también deben comprobarse los orificios de posicionamiento, las bridas, las superficies de montaje y el espacio de trabajo para las soldaduras posteriores, a fin de evitar crear nuevos puntos muertos de ensamblaje para reducir la deformación.

Utillajes, ensamblaje y secuencia de soldadura: controlar la deformación de la chapa delgada antes de soldar

Cuando una estructura de chapa delgada presenta después de soldar bridas combadas, diagonales del bastidor desiguales o una placa base ondulada, normalmente no basta con aplanarla a golpes después de la soldadura. El utillaje, las soldaduras de punteo y la secuencia de las soldaduras principales ya han determinado la trayectoria de liberación de la contracción térmica antes de iniciar el arco. El utillaje debe considerarse una herramienta de control del proceso, no solo un medio para sujetar las piezas.

Referencias de posicionamiento, puntos de apoyo y posiciones de apriete

Durante el ensamblaje, primero deben determinarse la superficie de referencia, las posiciones de los orificios críticos y la ubicación de las bridas; después se distribuyen los puntos de apoyo y de apriete. Los apoyos deben cubrir las zonas propensas a perder estabilidad, mientras que la fuerza de apriete debe servir para garantizar el contacto y el posicionamiento, sin perseguir simplemente que «cuanto más apretado, mejor». Una restricción excesiva puede limitar la contracción térmica: aunque la deformación visible quede temporalmente contenida, aumentan los riesgos de tensiones residuales, recuperación elástica al liberar las mordazas o pandeo local. La documentación del proceso también debe especificar la cantidad, la posición y la secuencia de las soldaduras de posicionamiento, para evitar que estas generen por sí mismas una nueva concentración de contracción.

La secuencia de soldadura debe distribuir el calor y la contracción

La secuencia principal de soldadura debe establecerse teniendo en cuenta el tipo de unión, la accesibilidad de la antorcha, la continuidad de la soldadura y la rigidez de la estructura. La soldadura simétrica, por tramos, alternada o hacia atrás puede utilizarse para distribuir el calor local y equilibrar las contracciones en direcciones opuestas, pero no todas las estructuras permiten aplicarlas directamente. En soldaduras cortas, primero se pueden escalonar las fuentes de calor; las zonas de mayor rigidez pueden soldarse alternadamente con los bordes libres. Al mismo tiempo, debe confirmarse que la soldadura por tramos no provoque falta de penetración, defectos en las uniones o una apariencia inestable de la soldadura. La secuencia para aflojar las sujeciones también debe incluirse en la ficha de proceso; normalmente, primero se verifican las dimensiones críticas y el estado de las soldaduras, y después se liberan las restricciones conforme a lo establecido y se vuelve a medir.

Cómo medir la deformación de la soldadura en chapas delgadas: desde el establecimiento de referencias hasta la decisión sobre el retrabajo

Que una estructura de chapa delgada soldada “parezca básicamente plana” no significa que cumpla las dimensiones. El marco de una puerta puede tener diagonales desiguales, la brida puede haberse desplazado en conjunto y la posición de los orificios puede impedir el montaje con las piezas adyacentes debido a la contracción de la soldadura. Por ello, la medición de la deformación de soldadura debe comenzar con el registro de las referencias antes de soldar, y no esperar a que falle el montaje para realizar la inspección.

Qué medir primero en la deformación de soldadura de chapas delgadas: referencias y dimensiones críticas

Antes de soldar, deben confirmarse la superficie de referencia, el borde de referencia y los orificios de posicionamiento indicados en el plano, y registrarse el material, el espesor de la chapa, las dimensiones exteriores principales, la posición de los orificios, la posición de la brida, los ángulos y las diagonales. Después de soldar, en el estado de enfriamiento especificado en el plano o en el documento de proceso, se vuelven a medir la planitud, la flexión general, los ángulos, las diagonales, la posición de los orificios y el desplazamiento de la brida utilizando las mismas referencias. Si la pieza puede experimentar recuperación elástica dentro del útil, deben registrarse por separado los resultados con las sujeciones colocadas y después de aflojarlas.

Qué utilizar para medir la deformación de soldadura en chapas delgadas: las herramientas deben corresponder a las tolerancias

Para piezas convencionales de chapa metálica, pueden seleccionarse galgas de espesores, reglas de acero, escuadras o medidores de ángulos, calibres, galgas de control o relojes comparadores según las dimensiones y los requisitos de tolerancia. En estructuras grandes o de geometría compleja, cuando sea necesario, puede recurrirse a una máquina de medición por coordenadas o al escaneado tridimensional. La selección de herramientas no puede desligarse de los requisitos de aceptación: si el plano no define la “planitud” o la “perpendicularidad”, el personal de inspección no puede interpretarlas por su cuenta mediante una inspección visual. El escaneado tridimensional es adecuado para obtener la desviación de la forma general, pero sus resultados también deben relacionarse con las referencias del plano y con los requisitos geométricos confirmados por el cliente.

• Antes de soldar: registrar las referencias, las dimensiones críticas y las interfaces de montaje, y conservar los valores de medición originales.
• Después de soldar: confirmar el estado de enfriamiento y volver a medir la planitud, los ángulos, las diagonales, la posición de los orificios y la posición de la brida utilizando las mismas referencias.
• Decisión: comparar los valores medidos con el plano, las especificaciones del cliente o las tolerancias geométricas confirmadas por ambas partes, y registrar por separado la calidad de la soldadura y la evaluación dimensional.
• Fuera de tolerancia: indicar primero el tipo y la ubicación de la deformación y, a continuación, decidir si se requiere retrabajo, enderezado o desecho; después del enderezado, deben volver a medirse las dimensiones críticas y la funcionalidad del montaje.

El registro de medición debe incluir como mínimo el número de pieza, la fecha de medición, el operador, el instrumento de medición, la descripción de las referencias, los valores medidos, el resultado de la evaluación y el estado del retrabajo. Esto permite distinguir entre problemas ocasionales de sujeción y problemas de proceso que afectan a todo el lote, además de proporcionar una base para ajustar posteriormente la secuencia de soldadura, los apoyos del útil y las compensaciones previstas para la contracción.

Cómo corregir las dimensiones fuera de tolerancia después de soldar: enderezado mecánico, enderezado con llama y circuito cerrado de reinspección

Cuando el aspecto de la soldadura es conforme, pero las dimensiones están fuera de tolerancia, no se debe empezar golpeando con un martillo ni aplicando llama para “aplanar” la pieza. Primero deben confirmarse el tipo de deformación, el material y el espesor de la chapa, el estado de la superficie y si la desviación afecta a la posición de los orificios, las bridas o la funcionalidad del montaje. La falta de longitud causada por una contracción longitudinal o transversal general normalmente no puede recuperarse mediante un enderezado local después de soldar; si no se dejó un margen durante el corte y el montaje, el retrabajo puede requerir modificar la pieza o volver a fabricarla.

Límites de aplicación del enderezado mecánico y del enderezado por llama

La deformación angular local, la curvatura y parte de las deformaciones onduladas pueden evaluarse para un enderezado mecánico. Una prensa, dispositivos de sujeción especiales o golpes controlados pueden modificar la forma local, pero las chapas delgadas pueden quedar fácilmente con marcas de presión, pandeo local o nuevas irregularidades; el trabajo en frío repetido también puede provocar endurecimiento por deformación y consumir la plasticidad del material. El enderezado por llama se basa en la contracción generada por un calentamiento y enfriamiento local controlados, y las zonas de calentamiento y la ventana de proceso deben ser definidas por personal familiarizado con la respuesta del material. En materiales con baja plasticidad, sensibles al calor o provistos de recubrimientos o revestimientos, primero deben evaluarse los cambios de propiedades, los daños superficiales y los riesgos de seguridad; no se deben aplicar temperaturas uniformes ni reglas operativas genéricas.

Los componentes estructurales de chapa delgada deben volver a medirse después del enderezado

Cada vez que se complete un enderezado, deben volver a medirse, tomando como referencia las bases establecidas antes de la soldadura, la planitud, los ángulos, las diagonales, la curvatura general, la posición de los orificios y la posición de las bridas, además de realizar una comprobación del montaje real o del funcionamiento. Los resultados de medición deben distinguir entre la evaluación de la calidad de las soldaduras y la de las dimensiones geométricas: una soldadura conforme no significa que la forma de la pieza también lo sea. Si aparecen marcas de presión en la superficie, daños en el recubrimiento o revestimiento, deformación en los bordes de los orificios o recuperación elástica después del enderezado, debe suspenderse la aplicación de fuerza y reevaluarse el límite del retrabajo.

• Ficha de proceso: registrar el material y el espesor de la chapa, la disposición de las soldaduras, las bases de posicionamiento, los puntos de apoyo de los dispositivos de sujeción y la secuencia de los puntos de soldadura y de la soldadura principal.
• Registrar simultáneamente los elementos de medición posteriores a la soldadura, los criterios de aceptación o retrabajo, el método de enderezado utilizado, el número de enderezados y los resultados de la reinspección.
• Incorporar las posiciones fuera de tolerancia y el efecto del enderezado a la revisión del diseño, los dispositivos de sujeción o la secuencia de soldadura del siguiente lote, en lugar de dejar el resultado del retrabajo únicamente en el registro de inspección.

Control de la deformación y problemas frecuentes del enderezado en la soldadura de chapas delgadas

Que el aspecto de las soldaduras de un componente estructural de chapa delgada sea conforme no significa que sus dimensiones geométricas sean necesariamente correctas. Los problemas siguientes deben juzgarse teniendo en cuenta las bases del plano, el estado del material, los requisitos de las soldaduras y los resultados de las mediciones reales; los parámetros uniformes no pueden sustituir la validación del proceso.