Mejora de la respuesta a fatiga de una unión soldada

El fenómeno de la fatiga es un elemento de estudio por parte de ingenieros y de científicos de medio mundo desde hace más de 150 años, debido, principalmente, a que nos referimos a uno de los modos de fallo más importantes a considerar desde el punto de vista de diseño mecánico.

Entendemos por fatiga, las situaciones en las que los componentes de las estructuras y mecanismos están cargados cíclicamente entre niveles de carga inferiores a la resistencia máxima de la pieza, situación que conduce, en general, a su fallo final.

Podemos afirmar que la respuesta a fatiga de una unión soldada se ve influenciada principalmente por los siguientes aspectos:

• Acabado superficial de la soldadura
• Geometría de la unión
• Tensiones residuales

Acabado superficial de la soldadura
Durante los procesos de preparación de la unión y el proceso de soldeo, se pueden originar una serie de defectos que son atribuibles al operario que prepara la unión, al soldador, o al propio procedimiento de soldadura. Estos defectos pueden incidir en el comportamiento a fatiga de un componente disminuyendo su vida a fatiga, debido principalmente, al efecto de concentración de tensiones que se origina.

Los defectos más importantes derivados de una mala ejecución de la soldadura son: porosidad elevada, inclusiones de escorias, faltas de fusión, faltas de penetración y defectos tipo grieta.

Geometría de la unión
La alteración local de la geometría de un componente debido a la presencia de cordones de soldadura, provoca la aparición de puntos de concentración de tensiones que disminuyen la vida a fatiga de dicho componente. En estas localizaciones, se pueden alcanzar valores de hasta 3 veces la tensión aplicada sobre el componente.

Concentración de tensiones por cambios de sección y entallas

Tensiones residuales
Durante el proceso de soldeo, el material de aporte y parte del metal base se funden, lo que provoca que ciertas partes del material se deformen plásticamente, mientras que otras lo hacen elásticamente. Esto provoca que al final del enfriamiento tengamos zonas con tensiones a tracción y otras con tensiones a compresión que pueden llegar a ser del orden del límite elástico del material.

Por otro lado, un embridamiento excesivo de la estructura durante el proceso de soldeo, también podría introducir tensiones.

Por todo ello, durante los últimos años se han desarrollado una serie de técnicas que permiten aumentar la vida a fatiga de un componente soldado.

Los métodos más empleados en la industria se muestran a continuación:

1. Modificar la geometría de la soldadura: tiene como objetivo minimizar el efecto de concentración de tensiones y eliminar defectos que puedan dar lugar a la iniciación de fisuras. Para ello se pueden emplear estas dos técnicas:

1.1. Rectificado de la soldadura por medio de una rectificadora de disco o mediante una desbarbadora rotativa. Se consigue reducir el factor de intensidad de tensiones y eliminar defectos superficiales obteniendo como resultado un aumento de entre un 25% y un 100% en fatiga de alto número de ciclos.

Es un método simple, rápido, económico y fácil de aplicar.

Detalle de la mejora producida en la base de una soldadura
1.1. Re-fusión de la soldadura. Se re-funde el borde de la soldadura por medio de la técnica TIG sin aportación. Se consigue aumentar la vida a fatiga desde un 10% en aceros estructurales y hasta un 100% en aceros de alta resistencia; esto es debido a la eliminación de inclusiones, un aumento de la dureza de la zona re-fusionada y una disminución en el coeficiente de concentración de tensiones.

Re-fusión del borde de la soldadura

1. Introducir tensiones residuales a compresión por martilleado o granallado:
1.1. Martilleado: se introducen tensiones a compresión por medio de un martillo neumático de bola (ø6-14mm).
1.2. Granallado: consiste en chorrear la superficie de la soldadura con pequeños proyectiles de acero a gran velocidad, lo que provoca tensiones de compresión en la superficie del orden del 70-80% del límite elástico.
Es un proceso económico cuando se requiere distensionar grandes componentes.Se puede llegar a mejorar del orden del 30% al 100% en fatiga de alto número de ciclos.
Como reglas generales y con objeto de mejorar la calidad de nuestras soldaduras, aportamos una serie de recomendaciones para aumentar su vida a fatiga:

1. Evitar puntos de concentración de tensiones.
2. Evitar estados biaxiales o triaxiales de tensiones de tracción.
3. Llevar a cabo inspeccinoes visuales con objeto de identificar entallas en las soldaduras o metales base
4. Llevar a cabo inspecciones visuales con objeto de identificar entallas en las soldaduras o metales base.
5. Evitar soldaduras intermitentes cuando las solicitaciones tensionales son elevadas.
6. Evitar el fenómeno de desgarro laminar ubicando el material en aquellas posiciones en las que trabaje en la dirección de la fibra o laminación.
7. Ubicar las soldaduras en zonas de baja solicitación tensional.