Causas de falla por fatiga de estructuras soldadas.
Las causas de falla por fatiga de estructuras soldadas incluyen principalmente los siguientes aspectos:
① Objetivamente, la capacidad de carga estática de las uniones soldadas normalmente no es menor que la del metal base. Sin embargo, cuando se someten a cargas dinámicas alternas, su capacidad es significativamente menor y está muy relacionada con el tipo de unión soldada y estructura. Esto contribuye de manera importante al fallo prematuro de algunas estructuras debido a la fatiga en las uniones soldadas.
② El diseño inicial de la estructura de soldadura se centró principalmente en la resistencia a la carga estática, ignorando el diseño por fatiga. Algunos diseños de juntas soldadas ahora se consideran poco razonables debido a la falta de especificaciones de diseño de fatiga perfectas.
③ Los diseñadores y técnicos de ingeniería carecen del conocimiento adecuado de las características de resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas, lo que lleva 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 livianas y de bajo costo, lo que resulta en mayores cargas de diseño para estas estructuras.
⑤ A medida que las estructuras soldadas avanzan hacia altas velocidades y cargas pesadas, la demanda de su capacidad de carga dinámica continúa aumentando. Sin embargo, el nivel de investigación sobre la resistencia a la fatiga de estructuras soldadas sigue siendo insuficiente.
2. Causas del fallo por fatiga de la estructura soldada.
2.1 Efecto de la resistencia a la carga estática sobre la resistencia a la fatiga de la estructura soldada
Al estudiar materiales de hierro y acero, los investigadores buscan una alta resistencia específica, es decir, la capacidad de soportar cargas pesadas y al mismo tiempo ser ligeros. Esto permite que las estructuras tengan mayor capacidad de carga manteniendo el mismo peso, o tener la misma capacidad siendo más ligeras. Como resultado, se desarrolló acero de alta resistencia y tiene una alta resistencia a la fatiga.
La resistencia a la fatiga de los metales base aumenta al aumentar la resistencia a la carga estática. Sin embargo, esto no se aplica a 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 resistencia del metal de soldadura.
En otras palabras, dados los mismos detalles de las juntas soldadas, la resistencia a la fatiga del acero de alta resistencia y del acero con bajo contenido de carbono es la misma y tienen la misma curva SN. Esto se aplica a varios tipos de juntas, como juntas a tope, juntas de esquina y vigas soldadas.
Maddox llevó a cabo un estudio sobre el crecimiento de grietas por fatiga en acero al carbono-manganeso con límites elásticos que oscilan entre 386 y 636 MPa, y el metal de soldadura y las zonas afectadas por el calor soldadas utilizando seis electrodos diferentes.
Los resultados indican que las propiedades mecánicas del material tienen algún impacto en la tasa de crecimiento de las 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 es importante para cumplir con los requisitos de ingeniería. Sólo se requiere acero de alta resistencia para el metal base de la unión soldada cuando la relación de tensión es superior a +0,5 y la condición de resistencia estática juega un papel dominante.
La razón de estos resultados es la presencia de defectos de cuña de escoria similares a socavados 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 de menos de 0,015 mm. Los defectos agudos son el origen de las grietas por fatiga, equivalentes a la etapa de formación de grietas por fatiga.
Por lo tanto, la vida a fatiga de la unión bajo un cierto rango de tensiones está determinada principalmente por la etapa de propagación de la grieta por fatiga. Estos defectos dan como resultado el mismo tipo de uniones soldadas para todos los aceros con la misma resistencia a la fatiga, independientemente de la resistencia estática del metal base y de los materiales de soldadura.
2.2 Efecto de la concentración de tensiones sobre la resistencia a la fatiga
2.2.1 Influencia del tipo de articulación
Las uniones soldadas incluyen juntas a tope, juntas transversales, juntas en T y juntas traslapadas. Estas uniones son susceptibles a la concentración de tensiones debido a la interferencia de la línea de transmisión de energía.
La interferencia de las líneas de tensión de las juntas a tope es mínima, lo que da como resultado una baja concentración de tensiones y una mayor resistencia a la fatiga en comparación con otras juntas. Sin embargo, los experimentos han demostrado que la resistencia a la fatiga de las juntas a tope puede variar mucho 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 la soldadura, la forma de la soldadura, el procesamiento de la soldadura posterior y la soldadura posterior. tratamiento térmico.
El uso de una placa de respaldo permanente en una junta a tope puede causar una concentración significativa de tensión en la placa de respaldo y reducir la resistencia a la fatiga de la unión. Las grietas por fatiga en este tipo de unión ocurren 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 es generalmente igual a la de una junta a tope con la peor forma sin placa de respaldo.
Las juntas transversales y las juntas en T se utilizan ampliamente en estructuras soldadas.
En estas uniones estructurales, el cambio obvio en la sección en la transición de la soldadura al metal base da como resultado un factor de concentración de tensión más alto en comparación con la unión a tope, lo que lleva a una menor resistencia a la fatiga para las uniones transversales y en T en comparación con las juntas a tope. articulaciones.
Para juntas não chanfradas conectadas por soldas de ângulo e juntas ranhuradas com soldas de penetração local, fraturas por fadiga podem ocorrer em dois elos fracos, ou seja, na junção entre o metal base e a ponta da solda ou solda, quando a solda transmite tensão de trabajo. Para uniones transversales que penetran canales, las fracturas generalmente ocurren solo en la punta de la soldadura, no en la soldadura.
La resistencia a la fatiga de las uniones en forma de T y transversales, donde la soldadura no soporta esfuerzos de trabajo, depende principalmente de la concentración de esfuerzos en la unión de la soldadura y la placa principal tensionada. Las juntas en T tienen una mayor resistencia a la fatiga, mientras que las juntas transversales tienen una menor resistencia a la fatiga.
Se puede mejorar la resistencia a la fatiga de las juntas cruzadas o en forma de T mediante el uso de soldadura de canales y mecanizado de transición de soldadura para crear una transición suave. Esta medida puede mejorar enormemente la resistencia a la fatiga.
La resistencia a la fatiga de las juntas traslapadas es muy baja debido a la severa distorsión de la línea de fuerza. Usar una junta a tope de placa de cubierta llamada "reforzada" es extremadamente irracional.
El uso de una placa de cubierta en una junta a tope debilita significativamente su alta resistencia a la fatiga debido al aumento de la concentración de tensiones.
En uniones fuertes de placas de cubierta, pueden ocurrir grietas por fatiga en el metal base o en la soldadura. Además, cambiar el ancho de la placa de cubierta o la longitud de la soldadura cambiará la distribución de tensiones en el metal base, lo que afectará la resistencia a la fatiga de la unión. La resistencia a la fatiga de la unión aumenta a medida que aumenta la relación entre la longitud de la soldadura y el ancho de la placa de recubrimiento, ya que esto tiende a dar como resultado una distribución de tensiones más uniforme en el metal base.
2.2.2 Influencia de la UE en la forma de la soldadura
Independientemente de la forma de la junta, se conectan mediante dos tipos de soldadura: soldadura a tope y soldadura en ángulo.
La forma de las soldaduras afecta el factor de concentración de tensiones, provocando variaciones significativas en la resistencia a la fatiga.
La forma de la soldadura a tope tiene el mayor impacto 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, el ancho (W) y la altura (H) de la soldadura cambiaron, pero la relación H/W permaneció constante, es decir, el ángulo incluido permaneció sin cambios. Los resultados mostraron que la resistencia a la fatiga también se mantuvo sin cambios.
Sin embargo, cuando el ancho de la soldadura permaneció constante y la altura cambió, se encontró que un aumento en la altura resultó en una disminución en la resistencia a la fatiga de la unión. Esto se debe claramente a una disminución del ángulo externo 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 afecta significativamente la resistencia a la fatiga de la unión. A medida que aumenta el radio de transición (mientras el ángulo de transición permanece sin cambios), 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 sola soldadura y el espesor de la placa (b) es inferior a 0,6 a 0,7, generalmente se rompe en la soldadura. Cuando a/b > 0,7, generalmente rompe 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 soldadura y, por lo tanto, la resistencia a la fatiga no se puede exceder en el mejor de los casos.
Soete y Van Crombrugge realizaron pruebas 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 soldadura. Si el tramo de soldadura fuera menor que este valor, se producirían fracturas por fatiga en la soldadura. Cuando el tamaño de la pierna era de 18 mm, se produjeron fracturas en el metal base.
Con base en estos hallazgos, propusieron un límite en 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 placa.
Aunque el tamaño del tramo de soldadura alcanzó el espesor de la placa (15 mm), todavía se produjeron fracturas en la soldadura, lo que confirma los resultados teóricos.
2.2.3 influencia de los defectos de soldadura
Existen numerosos tipos diferentes de defectos en las puntas de soldadura que provocan grietas por fatiga tempranas y una disminución significativa de la resistencia a la fatiga del metal base (hasta un 80%).
Los defectos de soldadura generalmente se pueden dividir en dos categorías:
Los defectos planos (como grietas y falta de fusión) y los defectos volumétricos (como poros e inclusión de escoria) tienen distintos grados de influencia.
Además, el impacto de los defectos de soldadura en la resistencia a la fatiga de las uniones depende del tipo, dirección y ubicación de los defectos.
1) Grieta
Las grietas de 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 una junta a tope de acero con bajo contenido de carbono con un ancho 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 alrededor de 10 % del área de la sección transversal de la muestra), su resistencia a la fatiga bajo carga alterna se reduce entre un 55% y un 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 diseñarse intencionalmente para determinadas juntas, como las boquillas de recipientes a presión.
Los defectos de penetración incompleta pueden ser defectos superficiales (soldadura unilateral) o defectos internos (soldadura bilateral) y pueden ser locales o globales. Principalmente debilitan el área de la sección transversal y provocan la concentración de tensiones.
Las pruebas han demostrado que, en comparación con los resultados sin tales defectos, la resistencia a la fatiga se reduce en un 25%, lo que significa que el impacto no es tan severo como el de las grietas.
3) Fusión incompleta
A pesar de ser un problema importante, existe una investigación limitada sobre este tema debido a las dificultades en la preparación de las muestras.
Sin embargo, está claro que la falta de fusión es un tipo de defecto plano y no puede ignorarse. A menudo se trata como una forma de penetración incompleta.
4) Rebajado
Los principales parámetros que describen el socavado son la longitud del socavado (L), la profundidad del socavado (h) y el ancho del socavado (W).
Actualmente, el principal parámetro que afecta a la resistencia a la fatiga es la profundidad del hueco (h), y puede evaluarse tanto por la profundidad (h) como por la relación entre profundidad y espesor de la placa (h/B).
5) Estomas
Harrison analizó y resumió los resultados de pruebas anteriores relacionadas con defectos volumétricos.
La disminución de la resistencia a la fatiga se debe principalmente a la reducción del área de la sección transversal provocada por los poros. Existe una relación lineal entre ellos.
Sin embargo, algunos estudios muestran que cuando se mecaniza la superficie de la muestra, lo que da como resultado que los poros se ubiquen en la superficie o justo debajo de ella, el impacto negativo de los poros aumentará. Actuarán como una fuente de concentración de tensiones y se convertirán en el punto de partida de las grietas por fatiga.
Esto sugiere que la ubicación de los poros tiene un mayor impacto en la resistencia a la fatiga de la articulación que el tamaño de la misma, y los poros ubicados en o debajo de 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 uniones no sólo depende del tamaño del defecto, sino que también está influenciado por varios otros factores, como los defectos superficiales que tienen un impacto mayor que los defectos internos y los defectos planos perpendiculares a la dirección de soldadura. teniendo un impacto mayor que en otras direcciones.
La influencia de los defectos ubicados en áreas de tensión residual de tracción es mayor que aquellos en áreas de tensión residual de compresión, y los defectos ubicados en áreas de concentración de tensión, como las grietas de soldadura, tienen un impacto mayor que los mismos defectos en campos de tensión uniformes.
2.3 Efecto de la tensión residual de soldadura sobre la resistencia a la fatiga
La tensión residual de soldadura es una característica de las estructuras soldadas que es ampliamente estudiada por su impacto en la resistencia a la fatiga de estas estructuras. Se han realizado numerosos estudios experimentales para examinar esta cuestión.
Las pruebas de fatiga a menudo se realizan comparando muestras con tensión residual de soldadura con aquellas que han sido sometidas a un tratamiento térmico para eliminar la tensión residual. Esto se debe a que la generación de tensión residual de soldadura suele ir acompañada de cambios en las propiedades del material resultantes del ciclo térmico de soldadura, y el tratamiento térmico no sólo elimina la tensión residual sino que también restaura parcial o completamente 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 la soldadura. Esto se puede ver al observar investigaciones tempranas y recientes realizadas por varias personas.
Por ejemplo, diferentes investigadores han llegado a conclusiones diferentes a partir de pruebas de ciclos de 2×106 en juntas a tope reforzadas.
Se encontró que la resistencia a la fatiga de una muestra después del tratamiento térmico para aliviar tensiones era un 12,5% mayor que la misma muestra en su estado soldado. Sin embargo, algunos estudios encontraron que la resistencia a la fatiga de las muestras soldadas y tratadas térmicamente era la misma con poca diferencia. En otros hallazgos, la resistencia a la fatiga aumentó después del tratamiento térmico para eliminar la tensión residual, pero el aumento fue mucho menor al 12,5%.
Se encontraron resultados similares al probar muestras de juntas a tope rectificadas en superficie. Algunas pruebas mostraron que la resistencia a la fatiga podía aumentar en un 17% después del tratamiento térmico, mientras que otras no mostraron ninguna mejora.
Esta pregunta ha sido fuente de confusión durante algún tiempo. Sin embargo, una serie de pruebas bajo cargas alternas realizadas por académicos de la antigua Unión Soviética ayudaron a aclarar el problema. Es especialmente digna de mención la investigación de Trufyakov sobre el efecto de la tensión residual de la soldadura sobre la resistencia a la fatiga de la unión bajo diferentes características del ciclo de tensión.
Las pruebas se llevaron a cabo utilizando acero estructural común de baja aleación 14Mn2 e involucraron una soldadura a tope transversal en la muestra, con un cordón de soldadura longitudinal superpuesto en ambos lados.
Un grupo de muestras fue sometido a tratamiento térmico para eliminar tensiones residuales después de la soldadura, mientras que el otro grupo no fue tratado. El ensayo de comparación de 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 aliviada fue cercana a 130 MPa, mientras que la muestra sin eliminación mostró una resistencia a la fatiga de solo 75 MPa.
Bajo carga pulsante (r = 0), la resistencia a la fatiga de ambos grupos de muestras fue la misma, 185 MPa.
Cuando r = 0,3, la resistencia a la fatiga de la muestra con tensión residual eliminada mediante tratamiento térmico fue de 260 MPa, ligeramente inferior a la de la muestra sin tratamiento térmico, que mostró 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 una tensión de tracción alta, lo que reduce 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, sin tener efecto sobre la resistencia a la fatiga.
El tratamiento térmico no sólo elimina la tensión residual sino que también suaviza el material, lo que lleva a una disminución de la resistencia a la fatiga después del tratamiento.
Esta prueba demuestra la influencia de la tensión residual y los cambios de material causados por el ciclo térmico de soldadura sobre la resistencia a la fatiga. También indica que el impacto de la tensión residual de la soldadura sobre 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 que la tensión residual alcanza el límite elástico del material 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 la ciclo original. características.
Por ejemplo, el ciclo de voltaje nominal debe ser de +S1 a -S2, con un rango de voltaje de S1 + S2. Sin embargo, el rango del ciclo de tensión real en la unión será desde sy (amplitud de tensión en el límite elástico) hasta SY-(S1 + S2).
Este es un factor crucial a considerar al estudiar la resistencia a la fatiga de uniones soldadas, lo que lleva a algunos códigos de diseño a reemplazar la característica cíclica r con el rango de tensiones.
Además, el tamaño de la muestra, el modo de carga, la relación del ciclo de tensión y el espectro de carga también tienen un impacto significativo en la resistencia a la fatiga.
3. Método de proceso para mejorar la resistencia a la fatiga de la estructura soldada.
El inicio del agrietamiento por fatiga en uniones soldadas ocurre típicamente en la raíz y el pie de la soldadura. Si se controla el riesgo de que se inicien grietas por fatiga en la raíz de la soldadura, los puntos más vulnerables en las uniones soldadas se concentran en la punta de la soldadura.
Hay varias formas de mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas:
① Reducir o eliminar defectos de soldadura, especialmente aberturas;
② Mejorar la geometría de la punta de soldadura y reducir el factor de concentración de tensiones;
③ Ajuste el campo de tensión residual de soldadura para producir un campo de tensión residual de compresión. Estos métodos de mejora se pueden dividir en dos categorías, como se muestra en la Tabla 1.
La optimización del proceso de soldadura no sólo mejora la resistencia a la fatiga de la estructura soldada, sino que también aumenta la 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 para mejorar la resistencia a la fatiga de la estructura soldada.
| Método para mejorar la resistencia a la fatiga de una estructura soldada. | Optimización del proceso de soldadura. | Geometría local | Control de calidad | Control de defectos de soldadura | 1 | |
| Mejora de la geometría | dos | |||||
| Proceso tecnológico | Secuencia de soldadura | 3 | ||||
| Tensión residual (<0) | Tratamiento metalúrgico de punta de soldadura. | 4 | ||||
| Modelado de cordones de soldadura | Geometría de punta de soldadura | 5 | ||||
| Estado del oro y el metal. | 6 | |||||
| Mejora de la soldadura | Geometría local | Mecanizado | Rectificado de puntas de soldadura | 7 | ||
| Impacto del agua | 8 | |||||
| refundición local | Reparación de TG | 9 | ||||
| Reparación de plasma | 10 | |||||
| Estrés residual | Método de liberación de estrés | Tratamiento térmico | 11 | |||
| Tratamiento mecánico | 12 | |||||
| Calefacción local | 13 | |||||
| método mecánico | contacto mecanico | Granallado | 14 | |||
| Martillo | 15 | |||||
| Impacto ultrasónico | dieciséis | |||||
| Soldadura | Estampado | 17 | ||||
| Compresión local | 18 | |||||
Los principales métodos para aumentar la resistencia a la fatiga de uniones soldadas se analizan en detalle en tres partes, centrándose en los métodos de proceso.
3,1 millones de métodos para mejorar la geometría de las puntas de soldadura y reducir la concentración de tensiones
1) apósito TIG
Los estudios han demostrado que la reparación TIG puede aumentar significativamente la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas, tanto a nivel nacional como internacional. El proceso implica el uso de soldadura TIG para volver a fusionar 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 pequeñas inclusiones de escoria no metálica, lo que mejora la resistencia a la fatiga de la unión.
La pistola de soldar normalmente se coloca a una distancia de 0,5 a 1,5 mm de la punta de soldadura durante el proceso de reparación, y el área refundida debe mantenerse limpia. Agregar un molido ligero de antemano mejorará los resultados.
Es crucial manejar adecuadamente el proceso de retroarco si se produce la extinción del arco durante la refundición, ya que esto afectará la calidad del cordón de soldadura refundido. La mejor posición para el arco posterior es generalmente 6 mm delante del cráter del cordón de soldadura.
Recientemente, la Sociedad Internacional de Soldadura colaboró con institutos de investigación de soldadura en varios países europeos y Japón para realizar un estudio unificado sobre la efectividad de los métodos para aumentar la resistencia a la fatiga de las juntas. Las muestras fueron preparadas por el Instituto Británico de Investigación de Soldadura.
El estudio confirmó que la resistencia nominal a la fatiga de la articulación después de 2×10 6 ciclos aumentó en un 58% después del tratamiento con este método. Este valor nominal de resistencia a la fatiga de 211 MPa corresponde a un valor característico (índice K) de 144 MPa. Supera el valor FAT más alto para resistencia a la fatiga de detalles de juntas establecido por la Sociedad Internacional de Soldadura.
2) Mecanizado
Mecanizar la superficie de soldadura puede reducir en gran medida la concentración de tensiones y mejorar la resistencia a la fatiga de la junta a tope. Si la soldadura está libre de defectos, su resistencia a la fatiga puede incluso superar a la del metal base. Sin embargo, el mecanizado es un proceso costoso y sólo debe realizarse cuando los beneficios justifican el coste.
En el caso de soldaduras con defectos importantes y sin soldadura en el fondo, la concentración de tensiones en el defecto o en la raíz de la soldadura es mucho más intensa que en la superficie, haciendo que el mecanizado carezca de sentido. Si falta un defecto de penetración, las grietas por fatiga no se iniciarán en el refuerzo y en 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 articulación.
Pulir 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 el punto de inicio de la grieta en este escenario se transfiere desde la punta de la soldadura al defecto de soldadura.
Las pruebas de resistencia a la fatiga realizadas por Makorov de la antigua Unión Soviética en acero de alta resistencia (resistencia a la tracción σb = 1080 MPa) mostraron que la resistencia a la fatiga de las soldaduras a tope transversales bajo carga alterna fue de ±150 MPa después de 2 × 10 6 ciclos como soldados. El mecanizado de soldadura y la eliminación de refuerzos aumentaron la resistencia a la fatiga a ±275 MPa, 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 al 83 % del efecto de mecanizado y una mejora del 65 % con respecto al estado soldado.
Es importante señalar que se debe utilizar una técnica adecuada tanto en el mecanizado como en el rectificado para garantizar la mejora deseada en la resistencia a la fatiga.
3) Rectificado con muela abrasiva
Es posible que el rectificado con una muela abrasiva no sea tan eficaz como el mecanizado, pero sigue siendo un método útil para aumentar 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, hecha de material de carbono y tungsteno. El diámetro de la muela debe garantizar que la profundidad y el radio del rectificado sean iguales o superiores a 1/4 del espesor de la placa.
Una investigación reciente de la Sociedad Internacional de Soldadura encontró que la resistencia a la fatiga nominal de la muestra después de 2 ciclos aumentó en un 45% después del rectificado. El valor de resistencia a la fatiga nominal de 199 MPa corresponde a un valor característico (135 MPa), que es superior al valor FAT más alto en resistencia a la fatiga de detalle de juntas establecido por la Sociedad Internacional de Soldadura.
Es importante tener en cuenta que la dirección del rectificado debe estar alineada 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 unión.
4) Método de electrodo especial
Este método implica desarrollar un nuevo tipo de electrodo. Su metal líquido y su escoria líquida tienen una alta humectabilidad, lo que aumenta el radio de transición de la soldadura, reduce el ángulo en la punta de la soldadura, reduce la concentración de tensión en la punta de la soldadura y mejora la resistencia a la fatiga de la unión soldada.
Al igual que la reparación con soldadura TIG, tiene una fuerte preferencia por ciertas posiciones de soldadura, particularmente la soldadura plana y en ángulo, mientras que sus beneficios se reducen significativamente para la soldadura vertical, horizontal y aérea.
Método 3.2M para ajustar el campo de tensión residual para producir tensión de compresión
1) Método de presobrecarga
Cuando se aplica una carga de tracción a una muestra que contiene una concentración de tensión hasta que se produce fluencia en la muesca, lo que resulta en cierta deformación plástica por tracción, se generará tensión de compresión en el lugar de la deformación plástica por 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 ensayos de fatiga posteriores, el rango de tensiones de la muestra sometida a este tratamiento será diferente al de la muestra original sin precarga y se reducirá significativamente. Esto puede mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas.
Las investigaciones muestran que es necesaria una prueba de precarga antes de poner en servicio grandes estructuras soldadas, como puentes y recipientes a presión. Esto mejorará su rendimiento 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 sólo es aplicable a soldaduras longitudinales discontinuas o uniones con placas longitudinales reforzadas.
Para placas de filete de un solo lado, la posición de calentamiento suele ser aproximadamente 1/3 del ancho de la placa desde la soldadura. Para platos de filete de doble cara, la posición de calentamiento es el centro del plato. Esto genera tensiones de compresión en la soldadura, aumentando la resistencia a la fatiga de la unión.
Diferentes investigadores han obtenido diferentes resultados utilizando este método. Para las placas de refuerzo de un solo lado, la resistencia a la fatiga aumentó entre un 145 y un 150%, mientras que para las placas de refuerzo de doble cara, la resistencia a la fatiga aumentó entre un 70 y un 187%.
La posición del calentamiento local tiene un impacto significativo en la resistencia a la fatiga de la junta. El calentamiento puntual al final de la soldadura provoca tensión residual de compresión en la entalla y aumenta la resistencia a la fatiga en un 53%. Sin embargo, el calentamiento puntual en el centro de la muestra en el extremo de la soldadura, a la misma distancia del extremo de la soldadura, tiene el mismo efecto metalográfico, pero produce tensión residual de tracción, lo que da como resultado la misma resistencia a la fatiga que la muestra sin tratar.
3) método de extrusión
El mecanismo de extrusión local es similar al método de calentamiento puntual en que mejora la resistencia a la fatiga de la unión generando tensión residual de compresión. Sin embargo, su punto de acción difiere y la posición de extrusión debe ser donde se desea la tensión residual de compresión.
El método de extrusión tiene un efecto más significativo en muestras de acero de alta resistencia que en acero con bajo contenido de carbono.
4) método Gurnnert
Gunnert propuso un método para obtener resultados satisfactorios debido a la dificultad de determinar con precisión la posición y la temperatura del calentamiento en el método de calentamiento local. La clave de este método es calentar la muesca directamente, en lugar del área 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 luego enfriarla rápidamente.
El enfriamiento retardado del metal debajo de la superficie y del metal circundante que no se enfría causará contracción y generará tensión 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 evitó con éxito las grietas por fatiga en los tubos de tope utilizando este método. La parte externa de la tubería se calentó por inducción y la parte interna se enfrió por circulación de agua, generando tensiones de compresión en la tubería y previniendo efectivamente la formación de grietas por fatiga. Después del 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 la del metal base.
3,3 millones de métodos de reducción de la concentración de tensiones y generación de tensiones de compresión
1) método de martillado
El martillado es un método de trabajo en frío que crea tensión de compresión en la superficie de la punta de soldadura en una junta. La eficacia de este método depende de la deformación plástica en la superficie de la punta de soldadura.
Además, el martillado puede reducir la nitidez de las muescas y, por tanto, la concentración de tensiones, lo que conduce a una mejora significativa en la resistencia a la fatiga de las articulaciones. La Sociedad Internacional de Soldadura recomienda una presión de martillo neumático de 5-6 Pa.
La parte superior de la cabeza del martillo debe ser sólida con un diámetro de 8 a 12 mm y se recomienda utilizar cuatro impactos para garantizar una profundidad de martillado de 0,6 mm.
La investigación de la Sociedad Internacional de Soldadura muestra que para juntas en T no estructurales, el martilleo aumenta la resistencia a la fatiga en un 54% en 2×10 6 ciclos.
2) Granallado
El granallado es otra forma de martillado y es un tipo de mecanizado por impacto. La eficacia del granallado depende del diámetro del granallado. El diámetro no debe ser demasiado grande para resolver defectos pequeños, pero tampoco demasiado pequeño para lograr un cierto nivel de endurecimiento por trabajo en frío. El granallado normalmente puede impactar la superficie a una profundidad de unas pocas milésimas de milímetro.
Las investigaciones muestran que el granallado puede mejorar en gran medida la resistencia a la fatiga de las uniones de acero de alta resistencia y tiene un efecto particularmente fuerte en la soldadura por arco de argón de materiales de acero de alta resistencia, superando incluso la reparación TIG. El uso de granallado también puede aumentar el impacto de la reparación por fusión TIG.
4. La última tecnología para mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas
4.1 Método de tratamiento por impacto ultrasónico
En los últimos años se ha desarrollado el impacto ultrasónico como medio para mejorar la resistencia a la fatiga de uniones y estructuras soldadas. Su mecanismo es similar al martillado y granallado.
Sin embargo, el impacto ultrasónico tiene ventajas como peso ligero, buen control, uso flexible y conveniente, ruido mínimo, alta eficiencia, menos restricciones de aplicación, bajo costo y eficiencia energética. Es adecuado para todo tipo de uniones y es un método eficaz para mejorar el comportamiento a la fatiga de las uniones soldadas después de la soldadura.
Se han llevado a cabo estudios utilizando tratamientos de impacto ultrasónico en juntas a tope y juntas de esquina longitudinales sin soporte de varios aceros estructurales soldados típicos. Luego se realizaron pruebas comparativas de fatiga en uniones soldadas y tratadas contra impactos. Los resultados, presentados en la Tabla 2, indican que la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas aumentó entre un 50 y un 170% después del tratamiento con impacto ultrasónico.
Tabla 2 Comparación de la resistencia a la fatiga antes y después del tratamiento con impacto ultrasónico
| Material y forma de la junta. | Resistencia a la fatiga Ds/MPa | Grado de aumento (%) | |
|---|---|---|---|
| como un soldado | Estado tratado por 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 de esquina longitudinal | 104 | 200 | 92 |
| SS800 (R=0,05) – junta de esquina longitudinal | 279 | 168 | |
| 16Mn (R=0,1) – junta de esquina longitudinal | 212 | 104 | |
Soldadura por puntos con cambio de fase mediante tira de 4,2 l
4.2.1 P Principio y desarrollo de la mejora de la resistencia a la fatiga de uniones soldadas.
La tensión de compresión puede aumentar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas, lo cual ha sido ampliamente discutido en la literatura. Sin embargo, el desafío radica en cómo introducir fácilmente tensiones de compresión 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 materiales de hierro y acero. Estas transformaciones estructurales van acompañadas de expansión de volumen, que puede crear tensiones de transformación de fase cuando están restringidas, lo que lleva a tensiones de compresión.
Para el metal de soldadura, esto reduce la tensión residual de tracción e incluso da como resultado 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 nuevo material de soldadura que utiliza tensión de transformación de fase para producir tensión de compresión en uniones soldadas y aumentar su resistencia a la fatiga.
Ya en la década de 1960, los expertos en soldadura de la antigua Unión Soviética propusieron el método de tira de soldadura por puntos de transformación de baja fase para mejorar la resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas, aunque el término "fase de tira de soldadura por puntos de transformación de baja fase" no se utilizó en la década de 1960. tiempo y se le denominó simplemente electrodo especial.
La composición del metal de la superficie consiste principalmente en 3-4% de Mn para reducir la temperatura de transformación de fase y lograr una transformación de fase metalúrgica. La literatura sugiere que la resistencia a la fatiga de muestras pequeñas después de recubrirlas con estos electrodos especiales es un 75% mayor que sin recubrimiento.
Recientemente, el desarrollo de acero con contenido ultra bajo de carbono y el uso de Cr y Ni para reducir la temperatura de transformación martensítica del metal depositado en materiales de soldadura ha llevado a un rápido progreso en la soldadura por puntos de tiras de baja transformación.
Tanto Japón como China han realizado amplias investigaciones en este ámbito, aunque todavía se encuentran en fase de laboratorio.
4.2.2 Y efecto del electrodo LTTE en la mejora de la resistencia a la fatiga
La Escuela de Materiales de la Universidad de Tianjin diseñó y optimizó el electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) y realizó extensas pruebas de fatiga y pruebas de rendimiento del proceso en varias uniones soldadas.
( 1) Método LTTE
Se utilizaron un electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) y un electrodo común E5015 para soldar juntas a tope transversales, juntas transversales sin carga, juntas de filete circunferenciales longitudinales, juntas de soldadura de filete paralelas longitudinales y juntas longitudinales superiores, respectivamente. Se llevó a cabo una prueba comparativa de fatiga.
Los resultados indican que la resistencia a la fatiga de la junta LTTE de la varilla de soldadura por puntos de cambio de fase fue un 11%, 23%, 42%, 46% y 59% mayor que la del electrodo común E5015. La vida por fatiga ha aumentado de varias veces 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 a tope | Junta transversal descargada | Junta soldada de filete circunferencial longitudinal | Junta de soldadura de filete paralela longitudinal | Junta a tope longitudinal |
|---|---|---|---|---|---|
| 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 estrés | Toma K1 | Medio K2 | Fuerte K3 | N4 particularmente fuerte | K4 particularmente fuerte |
| Grado de restricción | Pequeño grande | ||||
Debido a que el electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) crea una tensión de compresión residual a partir de la expansión volumétrica de la transformación martensítica a una temperatura más baja, la magnitud de la tensión de compresión residual está estrechamente relacionada con la restricción de la unión soldada.
Cuanto más apretada sea la unión soldada, mayor será la tensión de compresión residual y más significativa será la mejora en la resistencia a la fatiga.
(2) Método de preparación LTTE para soldadura por puntos de transformación de fase baja
Sin embargo, agregar más elementos de aleación a los materiales de soldadura para lograr la transformación martensítica a una velocidad de enfriamiento normal y baja temperatura aumenta significativamente el costo del electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE). Si todas las soldaduras en una estructura soldada se realizan con materiales de soldadura de bajo cambio de fase, el coste total de la estructura también será significativamente mayor, haciéndola económicamente inviable.
Es bien sabido que la fractura por fatiga en uniones soldadas generalmente ocurre en la punta de la soldadura. Si se genera tensión de compresión residual en la punta de soldadura, la resistencia a la fatiga de la unión soldada se puede mejorar sin utilizar todas las tiras de soldadura por puntos de bajo cambio de fase, lo que reduce el costo de los materiales.
Con esta idea en mente, la Universidad de Tianjin propuso el método de revestimiento del electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) para mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas basándose en resultados experimentales. La resistencia a la fatiga del apósito LTTE y de las uniones soldadas con electrodos comunes se comparó utilizando dos tipos de unión transversal sin carga y unión soldada en filete circunferencial longitudinal. La resistencia a la fatiga del primero fue un 19,9% y un 41,7% superior a la del segundo, 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 recubrimiento de la punta del electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) también puede reflejar su aplicación en soldaduras superpuestas y cordones de soldadura cerca de la punta.
4.2.3 A Ventajas y desventajas de la tira de soldadura por puntos con bajo cambio de fase
Ventaja:
(1) El método de electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE) se lleva a cabo durante el proceso de soldadura, lo que elimina la necesidad de un procesamiento posterior a la soldadura.
(2) El método LTTE no requiere habilidades operativas especiales, lo que lo hace simple y conveniente de usar.
(3) Cuando se utiliza un electrodo de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE), se puede mejorar la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas. Como no se ve afectado por los efectos térmicos de los cordones de soldadura posteriores, es adecuado para mejorar la resistencia a la fatiga de soldaduras ocultas, soldaduras cubiertas, soldaduras traseras de soldadura unilateral y otras soldaduras que no se pueden procesar después de la soldadura.
(4) El electrodo LTTE también se puede utilizar para reparar grietas por fatiga en estructuras soldadas.
Desventajas:
Agregar más elementos de aleación a los materiales de soldadura aumenta el costo de los materiales de los electrodos de soldadura de baja temperatura de transformación (LTTE), pero esto puede compensarse mediante el uso de apósitos LTTE y otros métodos.
5. Conclusión
En conclusión, los requisitos de capacidad de carga dinámica para estructuras soldadas han aumentado a medida que se utilizan para cargas pesadas y de alta velocidad. Como resultado, el desarrollo y uso de nuevas tecnologías para mejorar el comportamiento 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 direcciones de investigación importantes en el campo de la fatiga y la mejora del rendimiento del proceso de estructuras soldadas.
