Durante mucho tiempo, el principio de diseño tradicional de estructuras soldadas se basó principalmente en el diseño resistente.
En estructuras soldadas reales, existen tres tipos de relaciones de coincidencia entre la soldadura y el material base en términos de resistencia: la resistencia de la soldadura es igual a la resistencia del material base (coincidencia de resistencia igual), la resistencia de la soldadura excede la resistencia del material base (coincidencia de mayor resistencia, también conocida como coincidencia de alta resistencia) y la resistencia de la soldadura es menor que la resistencia del material base (coincidencia de menor resistencia).
Desde la perspectiva de la seguridad y confiabilidad estructural, generalmente es necesario que la resistencia de la soldadura sea al menos igual a la resistencia del material base, lo que se conoce como principio de diseño de “resistencia igual”.
Sin embargo, en la producción real, los materiales de soldadura a menudo se seleccionan en función de la resistencia del metal depositado, que no es equivalente a la resistencia real de la soldadura.
El metal depositado no es equivalente al metal de soldadura, especialmente cuando se utilizan materiales de soldadura para aceros de baja aleación y alta resistencia, donde la resistencia del metal de soldadura es a menudo mucho mayor que la del metal depositado.
Como resultado, puede haber una “fuerza igual” nominal pero un resultado real de “fuerza mayor”.
No hay consenso sobre si la combinación de una fuerza superior es siempre segura y confiable, y existen algunas dudas.
En el proyecto del puente sobre el río Jiujiang Yangtze en China, el “valor de resistencia superior” de la soldadura se limita a no más de 98 MPa. El académico estadounidense Pelini propuso que para lograr objetivos conservadores de integridad estructural, se pueden usar soldaduras con una resistencia equivalente o menor que la del material base a 137 MPa (es decir, coincidencia de baja resistencia). Según los resultados de la investigación del académico japonés Sato Kunihiko y otros, la combinación de baja resistencia también es viable y se ha aplicado en ingeniería.
Sin embargo, el académico belga Soete y el académico chino Zhang Yufeng sostienen que la combinación de una fuerza superior debe ser ventajosa.
Claramente, todavía falta una base teórica y práctica suficiente para los principios de diseño relacionados con la adaptación de la resistencia de la soldadura que afectan la seguridad y confiabilidad de las estructuras soldadas, y no existe una comprensión unificada.
Para determinar principios de diseño más razonables para uniones soldadas y proporcionar una base para la selección correcta de materiales de soldadura, el profesor Chen Bolin y otros de la Universidad de Tsinghua emprendieron el proyecto de investigación de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales “Investigación teórica sobre la coincidencia de dureza de soldadura de acero de alta resistencia”.
El contenido de la investigación del proyecto incluye la resistencia a la fractura de juntas de acero de alta resistencia con un límite elástico de grado 490MPa, la resistencia a la fractura de juntas de acero de alta resistencia con un límite elástico de grado 690 ~ 780MPa, la resistencia a la tracción de no soldados uniones, el comportamiento de deformación de la parte superior de probetas con muescas profundas y ensayos END en uniones soldadas.
Una gran cantidad de resultados experimentales han demostrado que:
Para aceros de alta resistencia y bajo rendimiento con una resistencia a la tracción de 490 MPa, es ventajoso utilizar materiales de soldadura con cierta tenacidad y resistencia superior adecuada.
Si consideramos factores como la procesabilidad de la soldadura y la adaptabilidad de uso, es más razonable seleccionar materiales de soldadura con cierta tenacidad y "resistencia igual" real.
La resistencia a la fractura y el comportamiento de las uniones soldadas de este tipo de acero dependen del efecto combinado de la resistencia y ductilidad del material a soldar.
Por lo tanto, el diseño de una estructura de soldadura basado únicamente en consideraciones de resistencia, sin tener en cuenta la tenacidad, no puede garantizar de manera confiable su seguridad en el uso.
Para el acero de alta resistencia con un índice de límite elástico de 690 ~ 780 MPa, el rendimiento de fractura de sus uniones soldadas no solo está relacionado con la resistencia, tenacidad y plasticidad de la soldadura, sino que también está limitado por la heterogeneidad de la unión soldada.
Una resistencia de soldadura excesiva o baja no es ideal, mientras que las uniones que tienen una resistencia similar tienen el mejor rendimiento ante la fractura. Por lo tanto, es razonable diseñar uniones soldadas de acuerdo con el principio actual de igual resistencia. Por lo tanto, debe haber límites superior e inferior para la resistencia de la soldadura.
El coeficiente de adaptación de resistencia (Sr) es la relación entre la resistencia a la tracción del metal depositado del material de soldadura y la resistencia a la tracción del material base y puede reflejar la heterogeneidad del rendimiento mecánico de la junta.
Los resultados experimentales muestran que cuando Sr≧0,9, la resistencia de la unión soldada puede considerarse cercana a la resistencia del material base. Por lo tanto, en la práctica de producción, el uso de materiales de soldadura que reducen la resistencia en un 10% en comparación con el material base puede garantizar que la unión cumpla con los requisitos de diseño de igual resistencia.
Cuando Sr≧0,86, la resistencia de la unión puede alcanzar más del 95% de la resistencia del material base. Esto se debe a que la mayor resistencia del material base restringe el metal de soldadura, mejorando así la resistencia de la soldadura.
El límite elástico del material base tiene una influencia importante en el comportamiento a la fractura de las uniones soldadas. J.
Las juntas con índices de límite elástico más bajos del material base tienen mejor resistencia a la fractura frágil que las juntas con índices de límite elástico más altos del material base. Esto indica que la reserva de plasticidad del material base también tiene un impacto significativo en la resistencia a la fractura frágil de la junta.
El comportamiento de deformación del metal de soldadura está influenciado por la correspondencia de las propiedades mecánicas entre la soldadura y el material base.
Bajo la misma tensión de tracción, la deformación de la soldadura de la unión de acero de mayor resistencia con un índice de límite elástico bajo es mayor, mientras que la deformación de la soldadura de la unión de acero de baja resistencia con un índice de límite elástico alto es menor. El desplazamiento de apertura de la grieta (valor COD) de la junta soldada también muestra la misma tendencia, lo que indica que la junta de acero de mayor resistencia con un bajo índice de límite elástico tiene la ventaja de una fácil fluencia en la punta de la grieta y una mayor deformación en la punta de la grieta.
La resistencia a la fractura frágil de las uniones soldadas está estrechamente relacionada con la heterogeneidad del rendimiento mecánico de la unión. No sólo está determinada por la resistencia de la soldadura, sino también limitada por la tenacidad y plasticidad de la soldadura. La selección de materiales de soldadura no solo debe garantizar que la soldadura tenga la resistencia adecuada, sino también garantizar que la soldadura tenga suficiente tenacidad y plasticidad. En otras palabras, la correspondencia entre resistencia y tenacidad de la soldadura debe estar bien controlada.
Para el acero de alta resistencia, lograr una igual resistencia entre el metal de soldadura y el material base presenta importantes dificultades técnicas. Incluso si la resistencia de la soldadura alcanza la misma resistencia, la plasticidad y tenacidad de la soldadura pueden reducirse a un nivel inaceptable y la resistencia al agrietamiento también puede disminuir significativamente. Para evitar grietas en la soldadura, las condiciones de construcción deben ser extremadamente estrictas y el costo de construcción aumentará considerablemente.
Para evitar sacrificar el rendimiento general de la estructura buscando únicamente la resistencia y mejorando la confiabilidad económica en la construcción, es necesario reducir la resistencia y adoptar un esquema de combinación de baja resistencia.
Por ejemplo, el acero submarino NS110 de Japón tiene un límite elástico mayor o igual a 1098 MPa, y el límite elástico del metal depositado de la correspondiente varilla de soldadura y alambre de soldadura blindado con gas debe ser mayor o igual a 940 MPa, con un límite elástico correspondiente. coeficiente de 0,85.
Depois de usar materiais de soldagem correspondentes de baixa resistência, o teor de carbono e o equivalente de carbono da solda podem ser reduzidos, o que melhorará a tenacidade e a resistência à trinca da solda, tornando a construção da soldagem mais conveniente e reduzindo os custos de construcción.
Además, algunos datos de pruebas del académico japonés Kunihiko Sato muestran que siempre que la resistencia del metal de soldadura no sea inferior al 80% de la resistencia del material base, aún se puede garantizar que la unión será tan fuerte como el material base. .
Sin embargo, el alargamiento general de la unión con soldaduras de baja resistencia será ligeramente menor. Bajo carga de fatiga, si no se elimina el exceso de altura de soldadura, se producirán grietas por fatiga en la zona de fusión. Sin embargo, si se elimina el exceso de altura de soldadura, se producirán grietas por fatiga en la soldadura de baja resistencia.
Por tanto, cuando se utilizan soldaduras de baja resistencia, es necesario realizar algunos trabajos experimentales basados en condiciones específicas.
