Imagínese la construcción de un puente o un rascacielos, pero que falle debido a defectos inadvertidos en la soldadura. La resistencia a la fatiga en estructuras soldadas es un factor crítico para garantizar la durabilidad y seguridad de tales construcciones. Este artículo profundiza en las causas del fallo por fatiga, incluidos los efectos de la resistencia a la carga estática, la concentración de tensiones y los defectos de soldadura. Al comprender estos factores, los ingenieros pueden diseñar y fabricar estructuras soldadas más fiables, evitando fallos catastróficos y alargando la vida útil de infraestructuras vitales.
Las causas del fallo por fatiga de las estructuras soldadas incluyen principalmente los siguientes aspectos:
① Objetivamente, la capacidad de carga estática de las uniones soldadas no suele ser más débil que la del metal base. Sin embargo, cuando se someten a cargas dinámicas alternas, su capacidad es significativamente menor y está estrechamente relacionada con el tipo de junta soldada y de estructura. Esto contribuye en gran medida al fallo prematuro de algunas estructuras debido a la fatiga en el uniones soldadas.
② Temprano estructura de soldadura el diseño se centraba principalmente en la resistencia a la carga estática, ignorando el diseño a fatiga. En la actualidad, algunos diseños de uniones soldadas se consideran poco razonables debido a la falta de especificaciones perfectas para el diseño a fatiga.
③ Los diseñadores y técnicos de ingeniería carecen de conocimientos adecuados sobre las características de resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas, lo que conduce a diseños que a menudo copian los criterios de diseño de fatiga y las formas estructurales de otras estructuras metálicas.
④ Las estructuras soldadas son cada vez más comunes y, en el proceso de diseño y fabricación, existe una tendencia hacia estructuras ligeras y de bajo coste, lo que se traduce en un aumento de las cargas de diseño para estas estructuras.
⑤ A medida que las estructuras soldadas avanzan hacia la alta velocidad y las cargas pesadas, sigue aumentando la demanda de su capacidad de carga dinámica. Sin embargo, el nivel de investigación sobre la resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas sigue siendo insuficiente.
En el estudio de los materiales de hierro y acero, los investigadores se esfuerzan por conseguir una alta resistencia específica, es decir, la capacidad de soportar cargas pesadas sin dejar de ser ligeros. Esto permite que las estructuras tengan mayor capacidad portante conservando el mismo peso, o que tengan la misma capacidad siendo más ligeras. Como resultado, se desarrolló el acero de alta resistencia, que presenta una elevada resistencia a la fatiga.
La resistencia a la fatiga de los metales comunes aumenta con el incremento de la resistencia a la carga estática. Sin embargo, esto no es cierto en el caso de las estructuras soldadas. La resistencia a la fatiga de las uniones soldadas tiene una correlación limitada con la resistencia estática del metal base, el metal de soldadura, la microestructura y las propiedades de la zona afectada por el calor, y la coincidencia de resistencia del metal de soldadura.
En otras palabras, dados los mismos detalles de unión soldada, la resistencia a la fatiga del acero de alta resistencia y del acero bajo en carbono es la misma, y presentan la misma curva S-N. Esto se aplica a varios tipos de uniones, como las uniones a tope, las uniones en esquina y las vigas soldadas.
Maddox realizó un estudio sobre el crecimiento de grietas por fatiga en acero al carbono-manganeso con un límite elástico comprendido entre 386 y 636 MPa, y metal de soldadura y zonas afectadas por el calor soldadas utilizando seis electrodos diferentes.
Los resultados indican que las propiedades mecánicas del material tienen cierto impacto en la tasa de crecimiento de grietas, pero el efecto no es significativo.
En el diseño de estructuras soldadas sometidas a cargas alternas, la selección de acero de alta resistencia no tiene sentido para cumplir los requisitos de ingeniería. El acero de alta resistencia sólo es necesario para el metal base de la unión soldada cuando la relación de tensiones es superior a +0,5 y la condición de resistencia estática desempeña un papel dominante.
La razón de estos resultados es la presencia de defectos de cuña de escoria similares a socavaduras a lo largo de la línea de fusión en la punta de soldadura de la junta, con un espesor de 0,075 mm a 0,5 mm y un radio de punta inferior a 0,015 mm. Los defectos en cuña son el origen de grietas de fatiga, equivalentes a la etapa de formación de grietas de fatiga.
Por lo tanto, la vida a fatiga de la unión bajo una cierta amplitud de tensión viene determinada principalmente por la etapa de propagación de la grieta de fatiga. Estos defectos dan lugar al mismo tipo de uniones soldadas para todos los aceros que tienen la misma resistencia a la fatiga, independientemente de la resistencia estática del metal base y de los materiales de soldadura.
2.2.1 Influencia del tipo de junta
Las uniones soldadas incluyen las uniones a tope, las uniones en cruz, las uniones en T y las uniones solapadas. Estas uniones son susceptibles de concentrar tensiones debido a la interferencia de la línea de transmisión de fuerzas.
La interferencia de la línea de tensión de las uniones a tope es mínima, lo que resulta en una baja concentración de tensión y una mayor resistencia a la fatiga en comparación con otras uniones. Sin embargo, los experimentos han demostrado que la resistencia a la fatiga de las uniones a tope puede variar enormemente, debido a diversos factores como el tamaño de la muestra, la forma de la ranura, el método de soldadura, el tipo de electrodo, la posición de soldadura, la forma de la soldadura, el procesamiento de la soldadura posterior y el tratamiento térmico posterior a la soldadura.
El uso de una chapa de refuerzo permanente en una unión a tope puede provocar una importante concentración de tensiones en la chapa de refuerzo y reducir la resistencia a la fatiga de la unión. Las grietas por fatiga en este tipo de unión se producen en la unión entre la soldadura y la placa de respaldo, en lugar de en la punta de la soldadura, y su resistencia a la fatiga suele ser igual a la de una unión a tope con la peor forma sin placa de respaldo.
Las uniones en cruz y en T se utilizan mucho en las estructuras soldadas.
En estas uniones portantes, el evidente cambio de sección en la transición de la soldadura al metal base da lugar a un mayor factor de concentración de tensiones en comparación con la unión a tope, lo que conduce a una menor resistencia a la fatiga de las uniones en cruz y en T en comparación con las uniones a tope.
Para juntas no biseladas conectadas por soldaduras en ángulo y uniones ranuradas con soldaduras de penetración local, las fracturas por fatiga pueden producirse en dos eslabones débiles, es decir, la unión entre el metal base y la puntera o soldadura, cuando la soldadura transmite el esfuerzo de trabajo. En las uniones transversales con penetración de ranura, las fracturas se producen generalmente sólo en la puntera de la soldadura, no en la soldadura.
La resistencia a la fatiga de las uniones en T y en cruz, en las que la soldadura no soporta esfuerzos de trabajo, depende principalmente de la concentración de esfuerzos en la unión de la soldadura y la chapa principal sometida a esfuerzos. Las uniones en T tienen mayor resistencia a la fatiga, mientras que las uniones en cruz tienen menor resistencia a la fatiga.
La mejora de la resistencia a la fatiga de las uniones en forma de T o en cruz puede lograrse utilizando soldadura de ranura y mecanizando la transición de la soldadura para crear una transición suave. Esta medida puede mejorar en gran medida la resistencia a la fatiga.
La resistencia a la fatiga de las juntas solapadas es muy baja debido a la grave distorsión de la línea de fuerza. Utilizar una junta a tope de placa de cubierta denominada "reforzada" es extremadamente poco razonable.
El uso de una placa de recubrimiento en una junta a tope debilita significativamente su elevada resistencia a la fatiga debido al aumento de la concentración de tensiones.
En las uniones de placas portantes, las grietas por fatiga pueden producirse en el metal base o en la soldadura. Además, si se modifica la anchura del recubrimiento o la longitud de la soldadura, se altera la distribución de las tensiones en el metal de base, lo que afecta a la resistencia a la fatiga de la junta. La resistencia a la fatiga de la unión aumenta a medida que aumenta la relación entre la longitud de la soldadura y la anchura de la placa de recubrimiento, ya que esto tiende a dar lugar a una distribución más uniforme de la tensión en el metal base.
2.2.2 Influencia de la forma de la soldadura
Independientemente de la forma de la unión, se unen mediante dos tipos de soldaduras: a tope y a soldaduras en ángulo.
La forma de las soldaduras afecta al factor de concentración de tensiones, lo que provoca variaciones significativas en la resistencia a la fatiga.
La forma de la soldadura a tope es la que más influye en la resistencia a la fatiga de la unión.
(1) Influencia del ángulo de transición
Yamaguchi et al. establecieron la relación entre la resistencia a la fatiga y el ángulo de transición (ángulo obtuso externo) entre el metal base y el metal de soldadura.
En las pruebas, la anchura (W) y la altura (H) de la soldadura cambiaron, pero la relación H/W permaneció constante, lo que significa que el ángulo incluido no varió. Los resultados mostraron que la resistencia a la fatiga tampoco varió.
Sin embargo, cuando la anchura de la soldadura se mantuvo constante y se modificó la altura, se observó que un aumento de la altura provocaba una disminución de la resistencia a la fatiga de la unión. Esto se debe claramente a una disminución del ángulo exterior incluido.
(2) Influencia del radio de transición de la soldadura
Los resultados de la investigación de Sander et al. indican que el radio de transición de la soldadura también influye significativamente en la resistencia a la fatiga de la unión. A medida que aumenta el radio de transición (mientras que el ángulo de transición permanece invariable), aumenta la resistencia a la fatiga.
La forma de la soldadura en ángulo también tiene un impacto significativo en la resistencia a la fatiga de la unión. Cuando la relación entre el espesor calculado (a) de una soldadura simple y el espesor de la chapa (b) es inferior a 0,6 o 0,7, generalmente se rompe en la soldadura. Cuando a/b > 0,7, generalmente se rompe desde el metal base.
Aumentar el tamaño de la soldadura no puede cambiar la resistencia de otra sección débil, es decir, el metal base en el extremo de la punta de la soldadura, y por lo tanto, la resistencia a la fatiga no se puede superar en el mejor de los casos.
Soete y Van Crombrugge realizaron ensayos en placas de 15 mm de espesor soldadas con diferentes soldaduras en ángulo bajo carga de fatiga axial.
Los resultados mostraron que cuando el tramo de soldadura era de 13 mm, se producían fracturas en el metal base o en la punta de la soldadura. Si el tramo de soldadura era inferior a este valor, se producían fracturas por fatiga en la soldadura. Cuando el tramo era de 18 mm, se producían fracturas en el metal base.
Basándose en estos resultados, propusieron un límite para el tamaño del tramo de soldadura: S = 0,85B, donde S es el tamaño del tramo de soldadura y B es el espesor de la chapa.
Incluso si el tamaño del tramo de soldadura alcanzaba el espesor de la placa (15 mm), seguían produciéndose fracturas en la soldadura, lo que confirma los resultados teóricos.
2.2.3 influencia de defectos de soldadura
Existen numerosos tipos de defectos en la punta de la soldadura que provocan la aparición temprana de grietas de fatiga y una disminución significativa de la resistencia a la fatiga del metal base (hasta 80%).
Los defectos de soldadura pueden dividirse generalmente en dos categorías:
Los defectos planos (como las grietas y la falta de fusión) y volumétricos (como los poros y la inclusión de escoria) tienen distintos grados de influencia.
Además, el impacto de defectos de soldadura sobre la resistencia a la fatiga de las juntas depende del tipo, la dirección y la ubicación de los defectos.
1) Grieta
Grietas en la soldadura, como las grietas frías y calientes, son fuentes importantes de concentración de tensiones, además de una microestructura frágil, y pueden reducir significativamente la resistencia a la fatiga de estructuras o uniones.
Estudios anteriores han demostrado que en una muestra de junta a tope de acero bajo en carbono con una anchura de 60 mm y un espesor de 12,7 mm, cuando hay grietas con una longitud de 25 mm y una profundidad de 5,2 mm en la soldadura (que ocupan aproximadamente 10% del área de la sección transversal de la muestra), su resistencia a la fatiga bajo carga alterna se reduce de 55% a 65% después de 2 millones de ciclos.
2) Penetración incompleta
Es importante señalar que la penetración incompleta no siempre se considera un defecto, ya que puede estar diseñada intencionadamente para determinadas juntas, como las boquillas de los recipientes a presión.
Los defectos de penetración incompleta pueden ser superficiales (soldadura de una cara) o internos (soldadura de dos caras), y pueden ser locales o globales. Debilitan principalmente la sección transversal y provocan concentración de tensiones.
Las pruebas han demostrado que, en comparación con los resultados sin tales defectos, la resistencia a la fatiga se reduce en 25%, lo que significa que el impacto no es tan grave como el de las grietas.
3) Fusión incompleta
A pesar de ser un problema importante, la investigación sobre este tema ha sido limitada debido a las dificultades en la preparación de las muestras.
Sin embargo, está claro que la falta de fusión es un tipo de defecto planar y no puede ignorarse. A menudo se trata como una forma de penetración incompleta.
4) Recorte
Los principales parámetros que describen la socavación son la longitud de la socavación (L), la profundidad de la socavación (h) y la anchura de la socavación (W).
Actualmente, el principal parámetro que afecta a la resistencia a la fatiga es la profundidad del destalonado (h), y puede evaluarse mediante la profundidad (h) o la relación entre la profundidad y el espesor de la chapa (h/B).
5) Estómagos
Harrison analizó y resumió los resultados de las pruebas anteriores relacionados con los defectos volumétricos.
La disminución de la resistencia a la fatiga se debe principalmente a la reducción de la sección transversal causada por los poros. Existe una relación lineal entre ambos.
Sin embargo, algunos estudios muestran que cuando la superficie de la muestra se mecaniza, lo que hace que los poros se sitúen en la superficie o justo debajo de ella, el impacto negativo de los poros aumentará. Actuarán como fuente de concentración de tensiones y se convertirán en el punto de partida de grietas por fatiga.
Esto sugiere que la ubicación de los poros tiene un mayor impacto en la resistencia a la fatiga de la junta que su tamaño, y los poros situados sobre o bajo la superficie tienen el efecto negativo más significativo.
6) Inclusión de escoria
La investigación realizada por IIW demostró que, entre los defectos volumétricos, la inclusión de escoria tiene un mayor impacto en la resistencia a la fatiga de las juntas en comparación con la porosidad.
El impacto de los defectos de soldadura en la resistencia a la fatiga de las juntas no sólo depende del tamaño del defecto, sino que también influyen otros factores, como que los defectos superficiales tienen un mayor impacto que los defectos internos, y que los defectos planos perpendiculares a la dirección de la fuerza tienen un mayor impacto que en otras direcciones.
La influencia de los defectos situados en zonas de tensiones residuales de tracción es mayor que la de los situados en zonas de tensiones residuales de compresión, y los defectos situados en zonas de concentración de tensiones, como las grietas en la punta de la soldadura, tienen un mayor impacto que los mismos defectos en campos de tensiones uniformes.
Soldadura tensión residual es una característica de las estructuras soldadas que se estudia ampliamente por su impacto en la resistencia a la fatiga de estas estructuras. Se han realizado numerosos estudios experimentales para examinar esta cuestión.
Los ensayos de fatiga suelen realizarse comparando muestras con tensión residual de soldadura a los que han sido sometidos a un tratamiento térmico para eliminar la tensión residual. Esto se debe a que la generación de tensiones residuales de soldadura suele ir acompañada de cambios en las propiedades del material resultantes de la ciclo térmico de soldaduray el tratamiento térmico no sólo elimina la tensión residual, sino que también restablece parcial o totalmente las propiedades del material.
Sin embargo, debido a la variabilidad de los resultados de las pruebas, existen diferentes interpretaciones de los resultados y evaluaciones del impacto de la tensión residual de soldadura. Esto puede comprobarse observando las primeras y recientes investigaciones realizadas por diversas personas.
Por ejemplo, distintos investigadores han llegado a conclusiones diferentes a partir de ensayos de 2×106 ciclos en juntas a tope con refuerzo.
Se ha comprobado que la resistencia a la fatiga de una muestra después del tratamiento térmico para aliviar la tensión era 12,5% superior a la de la misma muestra en su estado soldado. Sin embargo, algunos estudios han descubierto que la resistencia a la fatiga de las muestras en estado soldado y tratadas térmicamente era la misma, con escasas diferencias. En otros resultados, la resistencia a la fatiga aumentó tras el tratamiento térmico para eliminar la tensión residual, pero el aumento fue muy inferior a 12,5%.
Se obtuvieron resultados similares en los ensayos de muestras de juntas a tope con rectificado superficial. Algunos ensayos mostraron que la resistencia a la fatiga podía aumentar en 17% tras el tratamiento térmico, mientras que otros no mostraron ninguna mejora.
Esta cuestión ha sido fuente de confusión durante algún tiempo. Sin embargo, una serie de ensayos bajo carga alterna realizados por estudiosos de la antigua Unión Soviética ayudaron a aclarar el problema. Destaca especialmente la investigación de Trufyakov sobre el efecto de la tensión residual de la soldadura en la resistencia a la fatiga de la unión bajo diferentes características de los ciclos de tensión.
Las pruebas se realizaron con acero estructural ordinario de baja aleación 14Mn2 y consistieron en una soldadura transversal a tope en la muestra, con un cordón de soldadura longitudinal superpuesto a ambos lados.
Un grupo de muestras se sometió a tratamiento térmico para eliminar las tensiones residuales después de la soldadura, mientras que el otro grupo no se trató. La prueba de comparación de la resistencia a la fatiga se realizó utilizando tres coeficientes característicos del ciclo de tensión, r = -1, 0 y +0,3.
Bajo carga alterna (r = -1), la resistencia a la fatiga de la muestra con tensión residual eliminada fue cercana a 130 MPa, mientras que la muestra sin eliminación tuvo una resistencia a la fatiga de sólo 75 MPa.
Bajo carga pulsante (r = 0), la resistencia a la fatiga de ambos grupos de muestras fue la misma, de 185 MPa.
Cuando r = 0,3, la resistencia a la fatiga de la muestra con la tensión residual eliminada mediante tratamiento térmico era de 260 MPa, ligeramente inferior a la de la muestra sin tratamiento térmico, que tenía una resistencia a la fatiga de 270 MPa.
Las principales razones de este fenómeno son:
Cuando el valor de r es alto, como bajo carga pulsante (r = 0), la resistencia a la fatiga es alta, y la tensión residual se libera rápidamente bajo la influencia de la alta tensión de tracción, reduciendo el impacto de la tensión residual en la resistencia a la fatiga. Cuando r aumenta a 0,3, la tensión residual disminuye aún más bajo carga, no teniendo ningún efecto sobre la resistencia a la fatiga.
El tratamiento térmico no sólo elimina la tensión residual, sino que también ablanda el material, lo que provoca una disminución de la resistencia a la fatiga tras el tratamiento.
Este ensayo demuestra la influencia de la tensión residual y los cambios de material provocados por el ciclo térmico de soldadura en la resistencia a la fatiga. También indica que el impacto de la tensión residual de soldadura en la resistencia a la fatiga de una unión está relacionado con las características del ciclo de tensión de la carga de fatiga. Cuando el valor característico del ciclo es bajo, el impacto es relativamente alto.
Anteriormente se observó que, debido a la tensión residual que alcanza el rendimiento del material punto en una soldadura estructural, en una unión con un ciclo de tensión de amplitud constante, el ciclo de tensión real cerca de la soldadura caerá por debajo del límite elástico del material, independientemente de las características del ciclo original.
Por ejemplo, el ciclo de tensiones nominal debe ser de +S1 a -S2, con una amplitud de tensiones de S1 + S2. Sin embargo, el rango real del ciclo de tensión en la junta será de sy (amplitud de tensión en el límite elástico) a SY-(S1 + S2).
Este es un factor crucial a tener en cuenta cuando se estudia la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas, lo que ha llevado a algunos códigos de diseño a sustituir la característica cíclica r por el rango de tensiones.
Además, el tamaño de la probeta, el modo de carga, la relación de ciclos de tensión y el espectro de carga también tienen un impacto significativo en la resistencia a la fatiga.
El inicio de las grietas por fatiga en las uniones soldadas suele producirse en la raíz y la punta de la soldadura. Si se controla el riesgo de iniciación de grietas por fatiga en la raíz de la soldadura, los puntos más vulnerables de las uniones soldadas se concentran en la punta de la soldadura.
Existen varias formas de mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas:
① Reducir o eliminar los defectos de soldadura, especialmente las aberturas;
② Mejorar la geometría del cordón de soldadura y disminuir el factor de concentración de tensiones;
③ Ajustar el campo de tensiones residuales de soldadura para producir un campo de tensiones residuales de compresión. Estos métodos de mejora pueden dividirse en dos categorías, como se muestra en la Tabla 1.
Optimización de la proceso de soldadura no sólo mejora la resistencia a la fatiga de la estructura soldada, sino que también mejora su resistencia a la carga estática y las propiedades metalúrgicas de las uniones soldadas. Existe una gran cantidad de datos sobre este tema, que no se repetirán aquí.
Tabla 1 métodos de mejora de la resistencia a la fatiga de la estructura soldada
| Método de mejora de la resistencia a la fatiga de estructuras soldadas | Optimización del proceso de soldadura | Geometría local | Control de calidad | Control de los defectos de soldadura | 1 | |
| Mejora de la geometría | 2 | |||||
| Proceso tecnológico | Secuencia de soldadura | 3 | ||||
| Tensión residual(<0) | Tratamiento metalúrgico de los cordones de soldadura | 4 | ||||
| Modelado del cordón de soldadura | Geometría de la punta de soldadura | 5 | ||||
| Estado del oro y del metal | 6 | |||||
| Mejora de la soldadura | Geometría local | Mecanizado | Rectificado de puntas de soldadura | 7 | ||
| Impacto del agua | 8 | |||||
| Refundición local | Reparación TG | 9 | ||||
| Reparación con plasma | 10 | |||||
| Tensión residual | Método de liberación del estrés | Tratamiento térmico | 11 | |||
| Tratamiento mecánico | 12 | |||||
| Calefacción local | 13 | |||||
| Método mecánico | Contacto mecánico | Disparo granallado | 14 | |||
| Martilleo | 15 | |||||
| Impacto ultrasónico | 16 | |||||
| soldadura | Estampación | 17 | ||||
| Compresión local | 18 | |||||
Los principales métodos para mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas se tratan en detalle en tres partes, centrándose en los métodos de proceso.
1) Revestimiento TIG
Los estudios han demostrado que la reparación TIG puede mejorar significativamente la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas, tanto a nivel nacional como internacional. El proceso consiste en utilizar Soldadura TIG refundir la sección de transición de la unión soldada, creando una transición suave entre la soldadura y el metal base. Esto reduce la concentración de tensiones y elimina las pequeñas no metálico inclusiones de escoria, lo que se traduce en una mejora de la resistencia a la fatiga de la junta.
La pistola de soldar suele colocarse a una distancia de 0,5 a 1,5 mm de la punta de soldadura durante el proceso de reparación, y la zona refundida debe mantenerse limpia. Un ligero esmerilado previo mejorará los resultados.
Es crucial manejar adecuadamente el proceso de rearco si se produce la extinción del arco durante la refundición, ya que esto afectará a la calidad del cordón de soldadura refundido. La mejor posición para el arco de refusión suele ser 6 mm por delante del cráter del cordón de soldadura.
Recientemente, la Sociedad Internacional de Soldadura colaboró con institutos de investigación sobre soldadura de varios países europeos y Japón para realizar un estudio unificado sobre la eficacia de los métodos para mejorar la resistencia a la fatiga de las juntas. Las muestras fueron preparadas por el British Welding Research Institute.
El estudio confirmó que la resistencia nominal a la fatiga de la junta después de 2×106 ciclos se incrementó en 58% tras el tratamiento con este método. Este valor nominal de 211MPa de resistencia a la fatiga corresponde a un valor característico (índice K) de 144MPa. Supera el valor FAT más alto en la resistencia a la fatiga de detalles de juntas establecido por la Sociedad Internacional de Soldadura.
2) Mecanizado
El mecanizado de la superficie de la soldadura puede reducir en gran medida la concentración de tensiones y mejorar la resistencia a la fatiga de la unión a tope. Si la soldadura no presenta defectos, su resistencia a la fatiga puede incluso superar la del metal base. Sin embargo, el mecanizado es un proceso costoso y sólo debe realizarse cuando los beneficios justifiquen el coste.
En el caso de soldaduras con defectos importantes y sin soldadura de fondo, la concentración de tensiones en el defecto o en la raíz de la soldadura es mucho más grave que en la superficie, por lo que el mecanizado carece de sentido. Si no hay defecto de penetración, las grietas de fatiga no se iniciarán en el refuerzo y la punta de la soldadura, sino que se transferirán a la raíz de la soldadura. En estos casos, el mecanizado puede reducir la resistencia a la fatiga de la unión.
Rectificar sólo la punta de la soldadura, en lugar de todo el metal de soldadura, también puede mejorar la resistencia a la fatiga de la unión. Las investigaciones han demostrado que, en este caso, el punto de inicio de la grieta se desplaza de la punta de la soldadura a la base. defecto de soldadura.
Los ensayos de resistencia a la fatiga realizados por Makorov, de la antigua Unión Soviética, en acero de alta resistencia (resistencia a la tracción σb = 1080MPa) mostraron que la resistencia a la fatiga de las soldaduras transversales a tope bajo carga alterna era de ± 150MPa después de 2×106 ciclos como soldado. El mecanizado de la soldadura y la eliminación del refuerzo aumentaron la resistencia a la fatiga a ± 275MPa, equivalente a la resistencia a la fatiga del metal base. El rectificado local en la punta de la soldadura a tope dio como resultado una resistencia a la fatiga de ± 245 MPa, equivalente a 83% del efecto del mecanizado y una mejora de 65% con respecto al estado soldado.
Es importante tener en cuenta que debe utilizarse una técnica adecuada en el mecanizado o el rectificado para garantizar la mejora deseada de la resistencia a la fatiga.
3) Rectificado con muela
El esmerilado con muela puede no ser tan eficaz como el mecanizado, pero sigue siendo un método útil para mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas. La Sociedad Internacional de Soldadura recomienda utilizar una muela abrasiva eléctrica o hidráulica de alta velocidad con una velocidad de 15.000 a 40.000 RPM, fabricada con material de tungsteno de carbono. El diámetro de la muela debe garantizar que la profundidad y el radio de rectificado sean iguales o superiores a 1/4 del grosor de la chapa.
Una investigación reciente de la Sociedad Internacional de Soldadura descubrió que la resistencia nominal a la fatiga de la muestra después de 2 ciclos aumentaba en 45% tras el esmerilado. El valor nominal de 199 MPa de resistencia a la fatiga corresponde a un valor característico (135 MPa), que es superior al valor FAT más alto de la resistencia a la fatiga de los detalles de la unión establecido por la Sociedad Internacional de Soldadura.
Es importante tener en cuenta que la dirección de rectificado debe alinearse con la dirección de la línea de tensión. El rectificado en una dirección diferente puede dejar una muesca perpendicular a la línea de tensión, actuando efectivamente como una fuente de concentración de tensión y reduciendo la resistencia a la fatiga de la junta.
4) Método de electrodos especiales
Este método implica el desarrollo de un nuevo tipo de electrodo. Su metal líquido y su escoria líquida tienen una alta humectabilidad, lo que mejora el radio de transición de la soldadura, reduce el ángulo en el cordón de soldadura, reduce la concentración de tensiones en el cordón de soldadura y mejora la resistencia a la fatiga de la unión soldada.
Al igual que la reparación por soldadura TIG, tiene una marcada preferencia por determinadas posiciones de soldadura, en particular la soldadura plana y en ángulo, mientras que sus ventajas se reducen significativamente para la soldadura vertical, horizontal y en soldadura aérea.
1) Método de sobrecarga previa
Cuando se aplica una carga de tracción a una probeta que contiene una concentración de tensiones hasta que se produce la fluencia en la muesca, lo que da lugar a cierta deformación plástica de tracción, se generará una tensión de compresión en el lugar de la deformación plástica de tracción cerca de la muesca cargada después de la descarga. La tensión de tracción por debajo del límite elástico se equilibrará en otras secciones de la muestra.
En los ensayos de fatiga posteriores, el rango de tensiones de la probeta sometida a este tratamiento diferirá del de la probeta original sin precarga, y se reducirá significativamente. Esto puede mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas.
Las investigaciones demuestran que es necesario realizar una prueba de precarga antes de poner en funcionamiento grandes estructuras soldadas, como puentes y recipientes a presión. Esto mejorará su comportamiento ante la fatiga.
2) Calefacción local
El calentamiento local puede ajustar el campo de tensiones residuales en la soldadura, generando tensiones residuales de compresión en los puntos de concentración de tensiones, lo que puede mejorar la resistencia a la fatiga de la unión. Actualmente, este método solo es aplicable a soldaduras longitudinales discontinuas o uniones con placas longitudinales rigidizadas.
Para las planchas de fileteado de una cara, la posición de calentamiento suele ser aproximadamente 1/3 de la anchura de la plancha desde la soldadura. En el caso de las placas de fileteado de doble cara, la posición de calentamiento es el centro de la placa. Esto genera tensión de compresión en la soldadura, mejorando la resistencia a la fatiga de la unión.
Diferentes investigadores han obtenido resultados diversos utilizando este método. En el caso de las placas de refuerzo de una cara, la resistencia a la fatiga aumentó en 145-150%, mientras que en el caso de las placas de refuerzo de doble cara, la resistencia a la fatiga aumentó en 70-187%.
La posición del calentamiento local tiene un impacto significativo en la resistencia a la fatiga de la unión. El calentamiento por puntos en el extremo de la soldadura provoca una tensión residual de compresión en la muesca y aumenta la resistencia a la fatiga en 53%. Sin embargo, el calentamiento por puntos en el centro de la muestra en el extremo de la soldadura, con la misma distancia desde el extremo de la soldadura, tiene el mismo efecto metalográfico pero produce tensión residual de tracción, dando como resultado la misma resistencia a la fatiga que la probeta no tratada.
3) Método de extrusión
El mecanismo de extrusión local es similar al método de calentamiento puntual, en el sentido de que mejora la resistencia a la fatiga de la junta generando una tensión residual de compresión. Sin embargo, su punto de acción difiere y la posición de extrusión debe estar donde se desee una tensión residual de compresión.
El método de extrusión tiene un efecto más significativo en las muestras de acero de alta resistencia que en las de acero de bajo contenido en carbono.
4) Método de Gurnnert
Gunnert propuso un método para obtener resultados satisfactorios debido a la dificultad de determinar con precisión la posición y la temperatura de calentamiento en el método de calentamiento local. La clave de este método es calentar directamente la muesca, en lugar de la zona circundante, a una temperatura que pueda causar deformación plástica pero que sea inferior a la temperatura de transformación de fase de 55 °C o 550 °C, y después enfriarla rápidamente.
El enfriamiento tardío del metal bajo la superficie y el metal circundante que no está enfriado provocará la contracción y generará un esfuerzo de compresión en la superficie enfriada. Esta tensión de compresión puede aumentar la resistencia a la fatiga del miembro.
Es importante tener en cuenta que el proceso de calentamiento debe ser lento para calentar la capa inferior. Gunnert recomienda un tiempo de calentamiento de 3 minutos, mientras que Harrison recomienda 5 minutos.
Ohta consiguió evitar las grietas por fatiga en tuberías a tope utilizando este método. El exterior de la tubería se calentaba por inducción y el interior se enfriaba haciendo circular agua, lo que generaba una tensión de compresión en la tubería y evitaba eficazmente la formación de grietas por fatiga. Tras el tratamiento, la tasa de crecimiento de grietas por fatiga de la tubería soldada a tope se redujo considerablemente y alcanzó la misma tasa de crecimiento de grietas que el metal base.
1) Método de martilleo
El martilleo es un método de trabajo en frío que crea una tensión de compresión en la superficie del cordón de soldadura de una junta. La eficacia de este método depende de la deformación plástica en la superficie del cordón de soldadura.
Además, el martilleo puede reducir la nitidez de la muesca y, por tanto, la concentración de tensiones, lo que se traduce en una mejora significativa de la resistencia a la fatiga de la unión. La Sociedad Internacional de Soldadura recomienda una presión del martillo neumático de 5-6 Pa.
La parte superior de la cabeza del martillo debe ser sólida, con un diámetro de 8-12 mm, y se recomienda utilizar cuatro impactos para garantizar una profundidad de martilleo de 0,6 mm.
Las investigaciones de la Sociedad Internacional de Soldadura demuestran que, en el caso de las uniones en T no portantes, el martilleo aumenta la resistencia a la fatiga en 54% por debajo de 2×106 ciclos.
2) Granallado
El granallado es otra forma de martilleo y es un tipo de mecanizado por impacto. La eficacia del granallado depende del diámetro de granallado. El diámetro no debe ser demasiado grande para tratar pequeños defectos, pero tampoco demasiado pequeño para lograr un cierto nivel de endurecimiento por trabajo en frío. Normalmente, el granallado puede impactar en la superficie hasta una profundidad de unas milésimas de milímetro.
Las investigaciones demuestran que el shot peening puede mejorar en gran medida la resistencia a la fatiga de las uniones de acero de alta resistencia, y tiene un efecto particularmente fuerte sobre soldadura por arco de argón materiales de acero de alta resistencia, superando incluso la reparación TIG. El uso de shot peening también puede mejorar el impacto de la reparación por fusión TIG.
En los últimos años, el impacto ultrasónico se ha desarrollado como medio para mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones y estructuras soldadas. Su mecanismo es similar al del martilleo y el granallado.
Sin embargo, el impacto ultrasónico tiene ventajas como su peso ligero, buen control, uso flexible y cómodo, ruido mínimo, alta eficacia, menos restricciones de aplicación, bajo coste y eficiencia energética. Es adecuado para todo tipo de juntas y constituye un método eficaz para mejorar el comportamiento a fatiga de las juntas soldadas tras la soldadura.
Se realizaron estudios utilizando el tratamiento de impacto ultrasónico en juntas a tope y juntas de esquina longitudinales no portantes de varios aceros estructurales soldados típicos. A continuación, se realizaron ensayos comparativos de fatiga tanto en las uniones soldadas como en las tratadas por impacto. Los resultados, que se muestran en la Tabla 2, indican que la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas aumentó en 50-170% tras el tratamiento por impacto ultrasónico.
Tabla 2 Comparación de la resistencia a la fatiga antes y después del tratamiento por impacto ultrasónico
| Material y forma de la junta | Resistencia a la fatiga Ds / MPa | Aumentar grado(%) | |
|---|---|---|---|
| Como soldado | Estado de shock | ||
| Q235B (R= 0,1) - junta a tope | 152 | 230 | 51 |
| SS800 (R= 0,05) - junta a tope | 306 | 101 | |
| 16Mn (R= 0,1) - junta a tope | 285 | 88 | |
| Q235B (R=0,1) - junta angular longitudinal | 104 | 200 | 92 |
| SS800 (R=0,05) - junta de esquina longitudinal | 279 | 168 | |
| 16Mn (R=0,1) - junta angular longitudinal | 212 | 104 | |
4.2.1 Principio y desarrollo de la mejora de la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas
La tensión compresiva puede mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas, lo que se ha debatido ampliamente en la bibliografía. Sin embargo, el reto reside en cómo introducir fácilmente la tensión compresiva en las uniones soldadas.
Es bien sabido que la composición química, el contenido de aleación y la velocidad de enfriamiento pueden dar lugar a diferentes cambios microestructurales durante el proceso de enfriamiento de los materiales de hierro y acero. Estas transformaciones estructurales van acompañadas de una expansión de volumen, que puede crear una tensión de transformación de fase cuando se restringe, dando lugar a una tensión de compresión.
Para el metal de soldadura, esto reduce la tensión residual de tracción e incluso da lugar a una tensión residual de compresión, mejorando así las propiedades mecánicas de las uniones soldadas.
El electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) es un novedoso material de soldadura que utiliza la tensión de transformación de fase para producir tensión de compresión en las uniones soldadas y mejorar su resistencia a la fatiga.
Ya en la década de 1960, los expertos en soldadura de la antigua Unión Soviética propusieron el método de transformación de fase baja soldadura por puntos para mejorar la resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas, aunque en aquella época no se utilizaba el término "banda de soldadura por puntos de baja transformación de fase" y se hablaba simplemente de electrodo especial.
El revestimiento composición del metal consiste principalmente en 3-4% Mn para reducir la temperatura de transformación de fase y lograr la transformación de fase metalúrgica. La bibliografía sugiere que la resistencia a la fatiga de las probetas pequeñas después del recargue con estos electrodos especiales es 75% mayor que sin recargue.
Recientemente, el desarrollo de los aceros con muy bajo contenido en carbono y el uso de Cr y Ni para reducir la temperatura de transformación martensítica del metal depositado en los materiales de soldadura han dado lugar a un rápido progreso en la soldadura por puntos de baja transformación.
Tanto Japón como China han llevado a cabo numerosas investigaciones en este campo, aunque todavía se encuentran en fase de laboratorio.
4.2.2 Efecto del electrodo LTTE en la mejora de la resistencia a la fatiga
La Escuela de Materiales de la Universidad de Tianjin ha diseñado y optimizado el electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) y ha realizado exhaustivas pruebas de fatiga y de rendimiento del proceso en varias uniones soldadas.
(1) Método LTTE
El electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) y el electrodo ordinario E5015 se utilizaron para soldar la junta a tope transversal, la junta transversal no portante, la junta de filete circunferencial longitudinal, la junta de filete paralela longitudinal, la junta de filete circunferencial longitudinal y la junta de filete longitudinal. unión soldada en ánguloy longitudinal a tope, respectivamente. Se realizó una prueba comparativa de fatiga.
Los resultados indican que la resistencia a la fatiga de la junta LTTE del punto de cambio de fase varilla para soldar fue 11%, 23%, 42%, 46% y 59% superior a la del electrodo ordinario E5015. La vida útil a la fatiga aumentó de varias a cientos de veces.
Tabla 3 Efecto de mejora de la resistencia a la fatiga de diferentes tipos de uniones soldadas
| Tipo de electrodo | Junta transversal | Junta transversal no portante | Junta de soldadura en ángulo circunferencial longitudinal | Unión longitudinal paralela de soldadura en ángulo | Junta longitudinal a tope |
|---|---|---|---|---|---|
| Varilla de soldadura E5015 | 176.9 | 202.1 | 167.0 | 182.7 | 179.4 |
| Electrodo LTTE | 157.8 | 164.8 | 118.3 | 124.9 | 113.0 |
| Grado de mejora | 11% | 23% | 41% | 47% | 58% |
| Concentración de tensiones | Leve K1 | Medio K2 | Fuerte K3 | N4 especialmente fuerte | K4 especialmente fuerte |
| Grado de restricción | Pequeño grande | ||||
Dado que el electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) crea una tensión residual de compresión a partir de la expansión de volumen de la transformación martensítica a una temperatura más baja, la magnitud de la tensión residual de compresión está estrechamente relacionada con la restricción de la unión soldada.
Cuanto más restringida esté la unión soldada, mayor será la tensión residual de compresión y más significativa será la mejora de la resistencia a la fatiga.
(2) Método LTTE para la soldadura por puntos de baja transformación de fase
Sin embargo, añadir más elementos de aleación a los materiales de soldadura para lograr la transformación martensítica a una velocidad de enfriamiento normal y a baja temperatura aumenta significativamente el coste del electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE). Si todas las soldaduras de una estructura soldada se realizan con materiales de soldadura de bajo cambio de fase, el coste global de la estructura también será significativamente mayor, lo que la hará económicamente inviable.
Es bien sabido que el fractura por fatiga en las uniones soldadas suele producirse en la punta de la soldadura. Si se genera tensión residual de compresión en la punta de la soldadura, se puede mejorar la resistencia a la fatiga de la unión soldada sin utilizar todas las bandas de soldadura por puntos de bajo cambio de fase, reduciendo el coste de los materiales.
Con esta idea en mente, la Universidad de Tianjin propuso el método de electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) para mejorar la resistencia a la fatiga de las juntas soldadas, basándose en resultados experimentales. Se comparó la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas con electrodo de baja temperatura de transformación y las uniones soldadas con electrodo normal utilizando dos tipos de uniones transversales sin carga y uniones de soldadura de filete circunferencial longitudinal. La resistencia a la fatiga de las primeras fue 19,9% y 41,7% superior a la de las segundas, respectivamente, lo que demuestra la viabilidad y practicidad de la idea.
Esta investigación preliminar proporciona una aplicación más razonable del electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) en la práctica de la ingeniería.
Al mismo tiempo, la junta de revestimiento de la puntera del electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) también puede reflejar su aplicación en soldaduras de recubrimiento y cordones de soldadura de recubrimiento cercanos a la puntera.
4.2.3 Advantages and disadvantages of low phase change spot welding strip
Ventaja:
(1) El método del electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) se realiza durante el proceso de soldadura, eliminando la necesidad de un tratamiento posterior a la soldadura.
(2) El método LTTE no requiere conocimientos operativos especiales, por lo que su uso es sencillo y cómodo.
(3) Utilizando el electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE), se puede mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas. Al no verse afectado por los efectos térmicos de los cordones de soldadura subsiguientes, es muy adecuado para mejorar la resistencia a la fatiga de soldaduras ocultas, soldaduras cubiertas, soldaduras posteriores de soldaduras de una sola cara y otras soldaduras que no pueden procesarse después de la soldadura.
(4) El electrodo LTTE también puede utilizarse para reparar grietas de fatiga en estructuras soldadas.
Desventajas:
La adición de más elementos de aleación a los materiales de soldadura aumenta el coste de los materiales de los electrodos de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE), pero esto puede compensarse utilizando el apresto LTTE y otros métodos.
En conclusión, los requisitos de capacidad de carga dinámica de las estructuras soldadas han ido aumentando a medida que se utilizan para cargas pesadas y de alta velocidad. En consecuencia, el desarrollo y la utilización de nuevas tecnologías para mejorar el comportamiento frente a la fatiga de las uniones soldadas es crucial para una aplicación más amplia de las estructuras soldadas.
Tanto la tecnología de impacto ultrasónico como el uso de electrodos de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) para mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas son importantes líneas de investigación en el campo de la mejora del rendimiento a la fatiga y el proceso de estructuras soldadas.
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