soldadura bajo tensuion

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8° CONGRESO IBEROAMERICANO DE INGENIERÍA MECÁNICACusco, 23 al 25 de Octubre de 2007

CONSIDERACIONES DE DISEÑO Y FACTORES QUE AFECTAN EL DESEMPEÑO DE LASUNIONES SOLDADAS BAJO CARGA CÍCLICA

Autor: J. Alberto Bejarano U.Universidad Nacional de Colombia - Sede Bogotá

Asociación Colombiana de Soldadura y Ensayos no DestructivosCalle 98 No. 15-17 Of.509

E - mail: [email protected]á D.C.- Colombia

RESUMEN

Resulta excepcional encontrar un ramo de la ingeniería mecánica ajeno a procesos de

soldadura y dentro de sus aplicaciones casos donde se presente carga exclusivamente

estática; normalmente se presenta carga variable que genera una falla súbita de la unión

soldada bajo esfuerzos menores que los límites de ruptura reportados por el fabricante

tanto del material base como del de aporte. Esta ruptura catastrófica implica grandes

pérdidas económicas y lo que resulta más lamentable unidas en ocasiones a pérdidas devaliosas vidas humanas. Es en este sentido en que la aproximación aquí presentada al

fenómeno de la fatiga en uniones soldadas asume su verdadera importancia. La intención

fundamental de este artículo es pues, presentar y argumentar de manera concisa y práctica

criterios que apoyen la toma de decisiones del ingeniero en el proceso de diseño basados

en la amplia normalización existente. Este documento se limita a los aceros estructurales

con menos de 0,35% de Carbono y a los procesos de soldadura por arco eléctrico haciendo

énfasis en las diferencias entre el análisis de fatiga de elementos monolíticos frente a

conjuntos soldados en términos de los defectos inducidos en el metal de soldadura debidos

a errores de aplicación del material de aporte.

PALABRAS CLAVE: Diseño mecánico, fatiga, soldadura.

Código 1623



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1. INTRODUCIÓN AL FENOMENO DE LA FATIGA EN SOLDADURA

Nota: Los lineamientos aquí mostrados no pretenden reemplazar al criterio profesional del ingeniero fundado

en su experiencia y conocimiento teórico al momento de proyectar uniones soldadas a fatiga.

Las teorías clásicas para el tratamiento de la fatiga se aplican directamente a materiales sanos, en el caso de la

soldadura se habla de uniones soldadas sanas, esto es, sin defectos o con indicaciones

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dentro de norma. Encaso contrario las teorías de diseño clásicas se hacen poco representativas del fenómeno, obligando aldiseñador a asumir a la mecánica de la fractura como herramienta de análisis teoría que no se presta para serfácilmente aplicable en la dinámica propia de los procesos de diseño dado especialmente que esta estáorientada a la predicción de la vida restante de un elemento en presencia de indicaciones, lo que supone unconjunto soldado preexistente. Ahora bien, sabemos que cuando se diseñan elementos de máquinasmonolíticos se asumen estados idealizados tales como la isotropía o más exactamente falsa isotropía y lahomogeneidad del material en su estructura metalográfica y ausencia de discontinuidades y defectos, en lasoldadura nunca se presentan estas características debido esencialmente a la existencia de la denominada Zona Afectada por el Calor (ZAC) la cual corresponde a un cambio brusco en las característicasmetalográficas del material de soldadura. Una vez comprendidas las particularidades de la soldadura lasteorías de fatiga especialmente aplicables para materiales dúctiles y las curvas S-N se aplican de la mismamanera especialmente en lo que se refiere al cálculo de los esfuerzos principales que permiten determinar unfactor de seguridad específico presente en un diseño. Las fuentes de concentración de esfuerzo así como lacuantificación de los mismos varían en el caso de la soldadura y por eso se presentan en este documento.

2. LA IMPORTANCIA DE LA EXPERIMENTACIÓN

Cuando se proyectan uniones soldadas cuyo desempeño deba presentar alta confiabilidad (normalmente del99,99 %) bajo carga a fatiga, es necesario llevar a cabo ensayos que aproximen de la mejor manera posible lageometría de la unión, los materiales base y de aporte utilizados en la realidad, la frecuencia de aplicación dela carga, sus magnitudes y variaciones de sentido, así como la tecnología de soldeo seleccionada. Existeabundante literatura que presenta valores de resistencia a la fatiga para variados materiales, juntasprecalificadas, factores de concentración de esfuerzo, espesores relacionados y muchos otros datos queorientan al ingeniero, no obstante este es el directamente responsable del diseño y montaje y por tanto verá enel montaje del experimento la mejor fuente de datos confiables.La mayoría de los datos sobre la resistencia a fatiga que aparecen publicados provienen de pruebas

destructivas basadas en el ensayo de la viga rotativa o de flexión es decir representan el comportamiento delmaterial exclusivamente bajo carga variable de inversión total, lo cual no considera las condiciones reales dela junta a diseñar tales como la inercia, sus características de acabado superficial, su forma, los cambiosmetalográficos ni los esfuerzos térmicos residuales. En el diseño de elementos de máquinas estas condicionesson consideradas en el límite de fatiga corregido mediante coeficientes representativos de las particularidadesantes mencionadas, no obstante en la soldadura se debe aplicar la teoría una vez se ha determinado su sanidady tomar con prudencia valores genéricos. La seriedad y tradición investigativa de la institución que los publicaasí como la manera como fueron obtenidos han de ser apoyo para la toma de decisiones del ingeniero dediseño.

Fig. 1 Máquina de ensayo de viga rotatoria

1 Una indicación se refiere a un cambio en la homogeneidad del material que ha sido detectada mediante alguna técnica nodestructiva como ultrasonido o rayos X pero cuyas dimensiones o características no se interpretan como defecto según lanorma que rige la aplicación específica. Por ejemplo la norma API 1104 para transporte de hidrocarburos o sus derivados



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Fig 2 : Diagrama de Goodman modificado relacionado a un tipo específico de unión

En la figura 2 se muestra el tipo de fuente de información que debería utilizar el ingeniero de diseño y generarel investigador que se dedique a la soldadura en lugar de un diagrama clásico de Goodman

3. TIPOS DE FALLA ASOCIADOS A LA CARGA CÍCLICA EN SOLDADURA

Las concentraciones de esfuerzos debidas a discontinuidades geométricas son determinantes en el desempeñode la soldadura, basta que en un solo punto de la geometría de la unión se alcancen niveles de esfuerzosuperiores al límite de fluencia para iniciar una grieta, no importa si el esfuerzo nominal es mucho menor queel esfuerzo de fluencia. Los principales concentradores de esfuerzo en la soldadura están relacionados lasgrietas y en menor grado la porosidad, la falta de fusión, y el socavamiento entre otros. Cuando se somete auna junta a carga estática hasta la ruptura, la falla se genera normalmente en el material base, bajo cargacíclica existen dos posibilidades que la falla se genere en la soldadura misma es decir sobre el cordón dematerial de aporte o que esta se presente en el pie de la soldadura. Obviamente si se presentandiscontinuidades en el material base se pueden presentar normalmente desgarramientos debidos alaminaciones defectuosas o concentraciones de esfuerzo debidos a escamas de laminación o pinturas ocualquier tipo de hidrocarburo presente en la superficie sin retirarExisten tres formas de falla relacionadas directamente con la inestabilidad dimensional:

1. Variación dimensional temporal relacionada con deformaciones elásticas.( Falta de rigidez)2. Variación dimensional permanente relacionada con cuatro fenómenos principales:- Fractura (Ruptura frágil)- Plástica (Deformación excesiva que inutiliza la pieza)- Con pérdida de peso (Asociada a la corrosión o el desgaste abrasivo)3. Variaciones metalúrgicas que pueden conducir a inestabilidad dimensional.



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Una vez más se hace hincapié en la necesidad de garantizar la sanidad de la soldadura para acercarse a losvalores de límite de fatiga que reporta la literatura, la normalización o a los datos proyectados antes de laexperimentación. Existe un factor especialmente crítico en el desempeño de la soldadura y es el papel quecumple la calidad del electrodo en la calidad del depósito en la existencia de la llamada fragilización porhidrógeno

Fig. 3: RX de una soldadura sana Fig 4: RX de una soldadura con inclusiones de escoria

3.1 Fragilización por hidrógeno y ojos de pescado:

Este fenómeno se produce por la acumulación de bolsas de hidrógeno molecular en el metal de soldaduraproducidas bajo condiciones de alta presión y alta temperatura Las manchas producidas por el hidrógeno quese juntan alrededor de pequeñas imperfecciones tales como inclusiones metálicas visualmente aparecen comolos ojos de un pez, de donde recibe su nombre. El mecanismo de fragilización por hidrógeno genera la pérdidade ductilidad así como el aumento de la sensibilidad a la entalla gracias al crecimiento de micro grietas alinterior de dichas manchas en presencia de grandes tensiones. Con el enfriamiento veloz el hidrógeno esretenido en la austenita que persiste hasta convertirse en martensita frágil para después difundirse en lasdiscontinuidades. El nivel de esfuerzo requerido para la propagación de las grietas en estos ojos de pescado esde alrededor del 20% del límite de fluencia lo cual muestra lo importante que resulta evitar su presencia.Existen dos razones para la difusión del hidrógeno en el acero: errores en el proceso y ambientes defuncionamiento ricos en este elemento. Desde el punto de vista del proceso podemos decir que de seguir lassiguientes cuatro recomendaciones sencillas se puede evitar este fenómeno tan perjudicial:

- Utilizar electrodos con recubrimientos bajos en hidrógeno. (evitar recubrimientos celulósicos)- Los electrodos deben mantenerse secos almacenados en ambientes apropiados o en hornos para el

trabajo en campo especialmente si este presenta una humedad relativa superior o igual al 50%. Como reglageneral no debería usarse o debería hornearse todo electrodo que haya estado expuesto a la atmósfera por másde ocho horas, o podría dedicarse a aplicaciones de menor importancia.

- Eliminar las pinturas y aceites cercanos a la zona a soldar por lo menos a 8 centímetros a cada lado.- Eliminar la humedad y óxidos alrededor de la zona a soldar.

3.2 La zona afectada por el calor (ZAC)

Se define la Zona Afectada por el Calor como el lugar geométrico de todos los puntos del metal base cuyaestructura metalográfica ha resultado alterada respecto a la inicial como consecuencia de los ciclos térmicos

impuestos por la soldadura.2. Las diferencias metalográficas de la zona afectada por el calor se ilustra en lafigura 5, observando la diferencia en la forma y tamaño de los granos se comprende porqué se constituye enuna zona propensa a la iniciación de la ruptura bajo carga cíclica.

2 Para una mayor profundidad en este tema se recomienda el texto del prof. Jorge M. Benhayon en el Boletíntécnico Conarco N° 95 de Noviembre del 1989



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Fig 5: Granulometría en la ZAC Fig.6: Acumulación de humedad vs tiempo en el electrodo

4. DEFECTOLOGÍA DE LA SOLDADURA

De las tecnologías de soldeo utilizadas en Colombia el ser humano se encuentra presente como protagonistacon un 51% en soldadura manual y un 45.7% en procesos semiautomáticos3, esto implica una obligatoriamirada a los diversos defectos que se pueden inducir en la soldadura debidos a factores humanos. Cuando sediseñan uniones soldadas para fatiga se han de preferir en lo posible procesos automáticos ya sean robotizadoso por arco sumergido. En caso contrario la operación manual en la aplicación del material de aportenormalmente presentará una variada gama de defectos que reducen la calidad de la soldadura. Existe una granvariedad de discontinuidades pero aquellas que más afectan el desempeño de la soldadura a fatiga se explicana continuación y se ilustran en la figura 8.

Fig. 6: Grietas inducidas por el pulido Fig 7:Grieta perpendicular a la carga

3 Informe de caracterización laboral para el sector de la soldadura Mesa Sectorial de soldadura 2006 Bogotá –Colombia



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Grietas:

Es una discontinuidad que se presenta como una fractura en el cordón de soldadura aunque también se puedenpresentar en el material base, su existencia tendrá más o menos influencia de acuerdo con el funcionamientodel conjunto soldado y se constituirá en defecto en dependencia del código que aplique. Su existencia implicauna fuerte disminución de la resistencia a la fatiga bastando para la ruptura su crecimiento y propagación. Lasgrietas son producidas por problemas de contracción en el enfriamiento o por la velocidad de aplicación, supresencia puede ser determinada mediante ensayos no destructivos tales como el ultrasonido y los rayos x unsencillo ensayo no destructivo de inspección visual puede detectarlas, en caso de resultar imperceptiblesvisualmente un ensayo por tintas penetrantes las revelará.

Fig.8: Principales defectos presentes en la soldadura Fig.9: Porosidad en el material de soldadura

Las inclusiones no metálicas:

Son por lo general inclusiones de escoria proveniente de los electrodos revestidos y permanecen en el materialde soldadura debido a una pobre limpieza entre los múltiples pases que en ocasiones se requieren para rellenaruna unión. Se muestra una radiografía con este caso en la figura 4.

Las inclusiones metálicas:

Son debidas normalmente a depósitos del electrodo no consumible en procesos como TIG y MIG. Las altastemperaturas generadas en el arco son suficientes para retirar porciones pequeñas del electrodo si este seacerca demasiado al material base.

Fig 10: Isotermas en el arco de soldadura en proceso con electrodo no consumible

La porosidad:

Corresponde a bolsas de aire u otros gases atrapados en el metal de soldadura dependiendo de su tamaño yfrecuencia de aparición puede ser considerada defecto. Es especialmente perjudicial la porosidad agrupadadado que puede bajo carga cíclica generarse la unión de porosidades adyacentes e ir generando una grieta detamaño suficiente como para constituirse en un iniciador de una ruptura súbita. En la figura 9 se muestra unafotografía de la sección transversal de un cordón que presenta un serio problema de porosidad.



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5. CARACTERIZACIÓN DEL RÉGIMEN DE CARGA Y TENSIONES RESIDUALES

Así como en los casos de diseño de elementos de máquinas existen cargas repetidas de inversión completa oalternativa, fluctuantes entre valores de tensión o de compresión y aquellas cuyas magnitudes son de inversiónparcial que pueden o no presentar carga inicial. En la soldadura siempre tenemos una carga inicial de tensiónmínima. Las cargas más perjudiciales para la integridad de la unión son aquellas que implican esfuerzos detensión ya que son estos los que aceleran el surgimiento, crecimiento y la posterior propagación de las grietas.Por lo demás se sigue la misma lógica de la teoría clásica de fatiga.

Fig. 11 Curvas de esfuerzos residuales en el cordón desoldadura

Fig. 12 Formas típicas de ciclajeNo obstante resulta muy importante recordar que el cordón de soldadura mientras se aplica debido a suconfinamiento entre las paredes del material base se encuentra bajo esfuerzos de compresión y que una veziniciado el enfriamiento esta genera importantes esfuerzos de tensión en el metal de soldadura es decir en elnuevo metal fruto de la unión del material base y del material de aporte. Esto obliga a pensar en un necesarioalivianado de estas tensiones. Ya sea mediante granallado o mediante tratamientos térmicos. Estos esfuerzos ysu distribución respecto de la distancia al cordón se ilustran en la figura 11

6. SOBRE EL LÍMITE DE FATIGA

Al momento de proyectar una unión soldada bajo carga dinámica resulta imprescindible determinar cuál es ellímite de resistencia a la fatiga de dicho material así como con la teoría de falla con la cual se ha de trabajar ()

Este límite se refiere a aquel esfuerzo alternante que es capaz de resistir la pieza por encima de 1x106

ciclosde carga sin presentar falla. Esto es cierto especialmente para metales que presentan codo en las curvas S-Ntales como las fundiciones, el hierro forjado, los aceros de baja y media resistencia, Las aleaciones dealuminio-magnesio y algunas aleaciones de titanio, una vez determinado este valor, el cual puede serexpresado como porcentaje del esfuerzo de fluencia del material o como la resistencia de un conjuntodeterminado (Ver tabla No.1) se ha de modificar mediante factores que disminuyan dicho valor con el fin deacercarse a un valor que represente el efecto de las condiciones reales de operación de dicho material.En la tabla N°1 se observa el planteamiento de la norma BS153 respecto del límite de resistencia a la fatigareferido específicamente al tipo de unión utilizado. Es de anotar que este límite está determinado con base en



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soldaduras completamente sanas y su única diferencia está en la aplicación manual o automática del materialde aporte. Observando que los valores son menores en el primer caso.Vale la pena anotar en este punto que el tiempo de vida útil de la unión lo constituye la suma del tiemporequerido para el nacimiento de la grieta o grietas, el requerido para su crecimiento y aquel necesario para supropagación hasta alcanzar la ruptura súbita siendo el primero el mayor de los tres.

Factores de seguridadLos factores de seguridad según los cuales se calcule el conjunto soldado estarán determinados pornormativas particulares de cada código constructivo o según el criterio del diseñador

Valores de resistencia a la fatiga en dependencia del tipo de unión según BS 153

Como se indicó al inicio no bastan las ecuaciones fundamentales de la teoría clásica para aproximar un límitede fatiga en una unión soldada, por tanto se hace necesario presentar una muestra de información puesta encontexto en la tabla N°1 elaborada para aceros estructurales que relaciona el tipo de unión con la manera enque se realiza el proceso es decir si es proceso es manual o automático

Tipo de unión Resistencia a la fatiga (N/mm2)2x106 ciclos

Chapa laminada 190

Soldadura en ángulo y longitudinal a tope(proceso automático) 165

Longitudinal a tope (proceso manual) 140Soldadura en ángulo longitudinal y transversal a tope enposición vertical(proceso manual)

130

Soldadura a tope sobre cubrejuntas (Backing) ySoldadura en cruz con penetración total

100

Soldadura en cruz, Soldadura en “T” y soldadura asolape transversal

75

Soldadura en cruz discontinua ySoldadura en solape longitudinal

50

Tabla 1. Límites de fatiga según el tipo de unión British Standard 153

7. FALLA A FATIGA DE LAS UNIONES SOLDADAS EN FUNCIÓN DE SU GEOMETRÍAUniones soldadas a tope:

- Soldadura transversal: En este tipo de uniones la fractura se presenta perpendicular a la carga por la raízde la junta como se muestra en la figura () y la tensión es paralela al cordón de soldadura. El principal factorde concentración de esfuerzos lo constituye el ángulo formado por la superficie del material base y la tangenteal sobre espesor del cordón. Este ángulo llamado de manera ángulo del refuerzo debe tender a 180°. Cuandoeste ángulo tiene una magnitud de entre 120° y 160° la resistencia se ve reducida a la mitad. Este factor seanula retirando completamente el sobre espesor de la soldadura teniendo en cuenta que sea realizado en elmismo sentido de la carga para evitar generar pequeños concentradores de esfuerzos así como también sedebe tener cuidado en no retirar demasiado material para no terminar con un cordón de soldadura cóncavo quereduce la resistencia de la junta.- Soldadura longitudinal: En este caso la resistencia es superior al caso anterior y la falla se presentatransversal al cordón de soldadura en algún concentrador de esfuerzo como la unión de dos cordones.

Uniones soldadas en ángulo:

- Soldadura con alma continua: Las grietas se inician en el pie de la soldadura y de manera perpendicular ala dirección de la carga hasta atravesar el espesor completo de la lámina. Las grietas una vez más se inician enla zona afectada por el calor.- Uniones con alma discontinua: Los esfuerzos se transmiten mediante los cordones de soldadura y lasgrietas se inician en el pie de la soldadura y se transmiten de manera oblicua. Las grietas una vez más se



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inician en la zona afectada por el calor y se transmiten el metal base perpendicularmente a la dirección de lacarga.- Uniones soldadas en T: Podemos hablar de media unión en cruz y su ruptura es similar

CONCLUSIONES

Una vez expuestas las diferencias entre un análisis de fatiga en elementos monolíticos en los cuales sondirectamente aplicables las teorías de fatiga clásicas así como las particularidades que hacen de la soldaduraun tema donde se deben considerar muchas variables antes de aplicar dichas teorías, se presentan lossiguientes criterios para el ingeniero de diseño de uniones soldadas bajo solicitaciones mecánicas cíclicas.

Criterio 1: Asegurar una penetración del 100 %, soldando de ambos lados de las juntas o de un solo lado conrespaldo, previa limpieza hasta el material sano de la raíz de la soldadura de un lado antes de aplicar la delotro.Criterio 2: Utilizar los consumibles y técnica operativa adecuada para evitar toda formación de grietas yporos.Criterio 3: Elegir la junta que asegure un buen acceso de ambos lados, para obtener buena fusión, buenalimpieza e impedir las inclusiones de escoria.Criterio 4: Utilizar la técnica adecuada para evitar socavaciones.Criterio 5: Maquinar la superficie de la soldadura al ras de las piezas y eliminar por maquinado el respaldo si

este se hubiera empleado. Hacerlo en la dirección del esfuerzo.Criterio 6: En el caso de empalmes en “T” o en “L”, además de asegurar la penetración total, mediantemaquinado de los filetes complementarios se darán radios generosos que impidan bruscos cambios de sección,o de dirección de los esfuerzos.Criterio 7: En el caso de juntas a tope en chapas de diferentes espesores deberá proveerse un cambio gradual.

Nota: En todo caso ha de recurrirse a la normalización correspondiente a cada temática específica.

REFERENCIAS:

1. Hernández Albañil y Espejo Mora, Mecánica de la fractura y análisis de falla. Universidad Nacionalde Colombia, Bogotá, 2002.

2. Avilés Rafael, Análisis de fatiga en máquinas, Ed. Thomson, Bilbao, 2005.

3. Piñero Calderón, Tecnología y cálculo de la soldadura, Ed. Pueblo y educación. La Habana, 1990.4. La fractura frágil de soldaduras. Welding Workbook datasheet No 192 a Welding Journal, AmericanWelding Society, 1996.

5. Blodgett Omer, Design of weldments, The James F. Lincoln Arc welding Foundation, Cleveland,1976.

6. Greenwood Douglas, Mechanical details for product design, Ed. Mc Graw Hill 1964.7. American Welding Society, norma AWS D1.18. American Welding Society, norma AWS D1.39. Boletín técnico conarco N° 95 Noviembre de 198910. Munse y Grover ; Fatigue of welded steel structures. Welding Research Council New York 1964

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