ESTADO DEL ARTE SOBRE LA INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DE UNIONES

Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 21 N° 2, 2013, pp. 279-292

Estado del arte sobre la integridad estructural de uniones soldadas y modelosde propagación de grietas para la gestión de vida en estructuras

State ofthe art in structural integrity of welded joints and crackmodels for structures life management

Oscar Javier Araque de los Ríos' Nelson Arzola de la Peña^

Recibido 18 de junio de 2012, aceptado 8 de marzo de 2013Received: June 18, 2012 Accepted: March 8, 2013

RESUMEN

La soldadura es una de las técnicas más utilizadas para la unión de elementos estructurales, y presentamúltiples beneficios en su aplicación. Sin embargo, es usual encontrar algunos defectos en los elementossoldados, debido a los regímenes de temperatura usados en el momento de su deposición, los esfuerzospor contracción que se generan en el enfriamiento y la aparición de inclusiones, porosidades y grietasde solidificación, entre otros. Este artículo de revisión explica aspectos relacionados con el análisis deesfuerzos, detección de defectos, e influencia de la geometría de los cordones de soldadura. Además, serevisan y discuten las investigaciones de distintos autores en cuanto al análisis de la integridad de unionessoldadas, desde la perspectiva de la Mecánica de la Eractura, se presentan los criterios relacionados con laestimación de la resistencia residual de una estructura (capacidad de resistencia en presencia de grietas odefectos estructurales) y el mecanismo de propagación de grietas en el cordón. Se indican, así mismo, losprotocolos de gestión de vida en soldaduras que involucran factores como la carga, resistencia del material,tamaño del defecto y de las posiciones asumidas de las variaciones estadísticas en circunstancias reales,las cuales sirven para estimar la vida de las uniones soldadas. Se incluyen los resultados de investigacionesen cuanto al análisis de diversas situaciones de carga y tipos de unión soldada.

Palabras clave: Unión soldada, mecánica de la fractura, modelos de propagación de grietas, fatiga,integridad estructural.

ABSTRACT

Welding is one of the techniques used for joining structural elements, and has many beneftts in itsapplication. However, it is usual toftnd someftaws in the welding elements due to temperature regimesat the time of its deposition, stresses that are generated by contraction in cooling and the appearanceof inclusions, porosity and solidiftcation cracking among others. This review article explains the issuesrelated to the stress analysis, defect detection and the inftuence the geometry of a weld joint. Also, thelife management protocols in welds, that involve factors such as load, material resistance, size of thedefects and the assumed positions ofthe statistical variations under real circumstances, which are usefulto estimate the life ofthe welded joints, are included. The results of research work related to the analysisof different loading conditions and types of welded joints are included.

Keywords: Welded joint, fracture mechanics, cracks propagation models, fatigue, structural integrity.

' Gmpo de Investigación Desarrollo Tecnológico. Departamento de Ingeniería Mecánica. Universidad de Ibagué. Ibagué, Colombia.E-mail: [email protected]; [email protected]

^ Grupo de Investigación en Diseño Óptimo Multidisciplinario. Departamento de Ingeniería Mecánica y Mecatrónica. UniversidadNacional de Colombia. Bogotá, Colombia. E-mail: [email protected]

Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 21 N° 2, 2013

INTRODUCCIÓN

Uno de los métodos más eficaces para la uniónde estructuras de acero es mediante el procesode soldadura. Aunque la soldadura tiene mucbasventajas, también posee algunas desventajas comoson las deformaciones, las tensiones residuales ylos defectos propios del método de soldadura. Losdefectos en las soldaduras son esas imperfecciones odiscontinuidades producidas fundamentalmente por laexistencia de fallas metalúrgicas o discontinuidadesgeométricas tales como inclusiones de escoria,porosidades, grietas de solidificación, socavaciones,falta de penetración, fusión incompleta, contraccionesy grietas inducidas en frío o en caliente por esfuerzosresiduales.

Mucbos de los cambios metalúrgicos, geométricosy superficiales, sucedidos en la soldadura, sonproducto de diversas causas como el aumento de lavelocidad de depósito en la geometría del cbarco desoldadura, el efecto de la polaridad de la corriente,la extensión y diámetro del electrodo. Además, losfactores anteriormente mencionados modifican latasa de fusión, el tamaño de grano y la penetración dela soldadura por arco sumergido [1]. Otros estudiosse ban realizado alrededor de esta temática. Lainvestigación de Flores [2] presenta un método parael análisis de los procesos de fisuración de materialesdúctiles, argumentando que el micromecanismo defalla más común en aleaciones de elevada tenacidad,es la coalescencia de microcavidades. Este autoremplea el modelo propuesto por Gurson con el finde reproducir el proceso de fisuración. Para elloincorpora el efecto de los esfuerzos bidrostáticos enla superficie de ñuencia y advierte sobre la apariciónde una componente dilatadora para la deformaciónplástica. Este modelo puede calibrarse de manerasimple para simular situaciones complejas que sesalen del ámbito de aplicabilidad de la Mecánica dela Fractura clásica; aunque es aplicable únicamente asituaciones en las que el micromecanismo de fiacturaes la coalescencia de microvacíos. Se reporta que losresultados numéricos tienen buena correspondenciacon las mediciones experimentales.

Además del conocimiento teórico sobre losmecanismos de generación y propagación de defectos,es necesario establecer berramientas para lograrevaluarlos. En un trabajo de Lotsberg [3] se proponenfundamentos para la determinación de factores de

concentración de esfuerzos, en soldaduras a tope,de estructuras de secciones tubulares, pilotes decimentación, tuberías y estmcturas de bóveda. Sutrabajo consiste en la evaluación del espesor de laplaca, en la zona de afectación térmica en el materialy las tolerancias de fabricación, para aumentar laresistencia a fatiga en la zona de influencia térmica.En este trabajo la fatiga es producida por la flexiónlocal cuando las placas son sometidas a carga enun plano.

La investigación realizada por Bao [4] estableceun método para el cálculo de los esfuerzostérmicos residuales en placas soldadas a filetelongitudinalmente. En este trabajo se evalúan lastasas de crecimiento de grietas debido a la fatiga,utilizando los métodos de la Mecánica de la Fracturay la ley de superposición para la obtención delfactor de intensidad de esfuerzos. En el trabajo seestableció un conjunto de ecuaciones algebraicaslineales que representan la relación entre los esfuerzosresiduales y el factor de intensidad de esfuerzosresiduales. Este método puede ser empleado paralos casos en que el camino de crecimiento de lagrieta es perpendicular a la soldadura, y la influenciade los esfuerzos residuales longitudinales es másimportante que los cambios en la microestructuradel cordón soldado.

En [5] se ba utilizado la Mecánica de la Fractura y lasimulación micromecánica para evaluar la eficacia,en la predicción de la capacidad de deformación delas soldaduras de filetes estructurales con fisuras.El modelamiento de uniones soldadas también basido utilizado por distintos investigadores paraanalizar el comportamiento de las soldaduras endiversos escenarios, tal es el caso del diseño decomponentes estructurales soldados en navios.Los invesfigadores Traidia y Roger [6] presentanel desarrollo de un modelo numérico utilizando elmétodo de los elementos finitos para describir latransferencia de calor, flujo del cbarco de soldaduray los campos electromagnéticos presentes en elproceso Tungsten Inert Gas (TIG). El modeloinvolucra el cátodo, el arco de plasma y la fusiónde ánodos juntos; y se resuelve en un formalismodependiente del tiempo, teniendo en cuenta lascorrientes de Foucault. Para validar el modelo, seutiliza una cámara de rayos infrarrojos que registrala dinámica de la superficie del charco de soldadura.Un algoritmo de procesamiento de imágenes permite

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obtener la evolución temporal del ancho del charcode soldadura directamente desde la grabación devideo. El modelo numérico desarrollado fue aplicadoa la soldadura de acero inoxidable AISI 304. Losresultados de la simulación mostraron que el efectoMarangoni juega un papel importante en la dinámicadel charco de soldadura. A partir del modelo seexplica la formación de vórtices, considerando unasuperficie con coeficiente de tensión dependientede la temperatura y la presencia de azufre. Estosvórtices juegan un papel fundamental en la evolucióntemporal de las dimensiones del charco de soldadura.Para las condiciones de este estudio se observa quela influencia de la tensión superficial disminuye enfavor de las fuerzas de Lorentz. Una comparaciónentre los pulsos de corriente de soldadura muestraque las fuerzas son energéticamente equivalentes. Lainvestigación concluye que para un determinado nivelde energía, es más conveniente el uso de corrientepulsante de soldadura para soldar chapas de mayordimensión. Estas predicciones están de acuerdo conlos resultados experimentales desarrollados en lainvestigación.

En [7] se realizó un estudio computacional porelementos finitos donde se estudió la incidenciade la rugosidad en la propagación subcrítica degrietas. El modelo estima la tasa de propagación degrietas considerando las múltiples deflexiones dela punta de grieta, concluyendo que este fenómenoes significativo en los procesos de fatiga. El trabajoobtiene una buena correlación en los resultadosobtenidos. Aunque, se sugiere realizar estudiosexperimentales adicionales empleando topografía3D para una mejor comparación cuantitativa.

En la investigación realizada por Chin y colaboradores[8] se estudió el efecto de la geometria de soldadurasobre la resistencia a la fatiga de juntas soldadas afilete, utilizando probetas de geometria cmciforme.Dicha geometría se varió intencionalmente, y seencontró que la resistencia a la fatiga aumentagradualmente con el aumento del ángulo de flancode soldadura y radio de punta de soldadura. Seconcluye además, que el espesor de garganta desoldadura posee poca influencia en la vida de fatiga.

En [9] se caracterizaron y determinaron laspropiedades mecánicas de juntas soldadas a filetemediante microscopia, utilizando la técnica demicroscopia electrónica de barrido y de transmisión.

También, se realizaron pmebas de dureza y pmebasde propiedades mecánicas como el ensayo de tensiónpara la caracterización de los cordones de soldaduray la determinación, ubicación y tasa de dispersiónde los defectos.

Otros investigadores han estudiado las soldadurasde punto o contacto, obteniendo caracterizacionesy comportamientos para este tipo de soldadura. En.[10, 11] se estudió el comportamiento a la fatigade soldaduras de punto, utilizando modelos deelementos finitos. En [12] se propuso un modelode crecimiento de grieta por fatiga, en [13] serealizó un estudio analítico donde se evaluó elcomportamiento para vibración y pandeo. Mientrasque, en la investigación [14] se utilizaron métodosópticos para la determinación de defectos en estaclase de soldaduras.

El desarrollo del presente artículo pretende vincularlos diversos aspectos relacionados con el anáhsis deesfuerzos, detección de defectos, modelamiento depropagación de grietas de fatiga y la influencia deltipo de proceso utilizado, además de la geometríade los cordones en uniones soldadas.

DEFECTOS EN UNIONES SOLDADAS

La mayoría de los defectos en uniones soldadasson del tipo porosidad, falta de penetración, faltade fusión, inclusión de escoria, socavación ydesalineamiento [15]. El tamaño e intensidad de lasimperfecciones depende del proceso de soldadura,la geometría, la facilidad de acceso, y el cuidadoejercido en el proceso de soldar, entre otros factores.Estas imperfecciones tienen diferentes caracteristicasy en algunas situaciones son difíciles y costosas dedetectar y definir sin destruir la junta soldada. Seplantean defectos originados por el proceso queinducen la aparición de grietas de fatiga. Esto seatribuye al hecho de que para una vida de fatigadada, las imperfecciones incluidas pueden ser mejortoleradas que las imperfecciones de la superficie[16]. Varias de estas imperfecciones en las soldadurasson descritas por Maddox [15] como se muestraen la Figura 1.

Existen diversos tipos de defectos en las unionessoldadas, debido a factores como la intensidad decorriente, el medio y factores humanos que afectanla calidad del depósito soldado. Los defectos

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Socavación

Inclusión de escoda-V^f

Grieta de solidificación Desalineamiento

\ \ Q* / / Porosidad

Falta de fusión.

Falta de penetración

Figura I. Imperfecciones de soldadura en juntas a tope. Adaptada de [15].

tipo grieta de solidificación en soldadura puedeninfluenciar significativamente de manera local elcampo de tensiones en la región de la soldadura,cuando el componente soldado es sometido a cargacíclica [17].

En la mayoría de los casos, los defectos en lassoldaduras conducen a la aparición de concentradoresde esfuerzos altos que aceleran el crecimientode grietas por fatiga. En la investigación [18] seestudió el efecto de la falta de penetración (lackof penetration) (LOP) y falta de fusión (lack offusion) (LOF) en el comportamiento a fatiga de unaaleación de aluminio Al-5083-0 empleada en unasoldadura doble-V de extremo ranurado, obtenidamediante el proceso de soldadura por gas inerte(MIG). Ellos concluyeron que el defecto por faltade penetración (LOP) puede reducir seriamentela vida a fatiga de la unión soldada, tanto parasoldaduras con refuerzo intacto como para aquellascon el refuerzo removido. También, determinaronque el defecto LOF es menos cn'tico que el defectoLOP. Sanders [18] también reportó que el efectode las discontinuidades interiores es mínimo enel desarrollo de fatiga en soldaduras que poseenrefuerzo. El efecto del refuerzo en la soldadura estan marcado que solo los defectos críticos afectanel comportamiento a fatiga y esto se relaciona conla pérdida de área en la sección de la garganta desoldadura. Las porosidades sólo se vuelven unfactor negativo significativo cuando el refuerzoes removido.

La investigación [19], en tomo al estudio de lavida a fatiga en uniones soldadas ha establecidoque esta comprende dos fases, el inicio de grietay la propagación de la grieta. En especímenesmicroestructurahnente uniformes, la fase de iniciaciónde grieta comprende una parte considerable de

la vida total, pero, para estructuras soldadas, lapresencia de imperfecciones como las inclusiones deescoria en pie de soldadura, socavaciones, esfuerzosresiduales, falta de penetración, desalineamientos,etcétera reducen efectivamente la fase de iniciación[20]. Todas las juntas soldadas contienen pequeñasinclusiones de escoria en pie de soldadura [21],con defectos preexistentes como microgrietasque provocan concentradores de esfuerzos. Lapropagación estable de grietas por fatiga comienzaen estas inclusiones muy temprano en la vida útil.Las juntas soldadas también contienen "cierres"debido a los esfuerzos residuales causados por elciclo térmico del proceso de soldadura, que influyenen la propagación de grietas por fatiga.

Los concentradores de esfuerzos locales influencianla propagación de grietas por fatiga. El resultadodel estudio [22] indicó que la duración de la vidade propagación estable de grietas fue de 75% a 89%del total de la vida, para todos los tipos de juntasestudiadas. De ahí que, para las juntas soldadas,la vida total puede asumirse como dominada porla etapa de propagación. En otra investigación[23] se encontró que las imperfecciones de lasuniones soldadas reducen de manera significativala vida al aumentar la velocidad de propagaciónde grietas por fatiga. En este trabajo se tuvo encuenta el efecto de los esfuerzos residuales, y laspropiedades mecánicas del material base, el cordónde soldadura, así como la zona de afectacióntérmica. Se observó que la influencia negativade los defectos tipo grieta de solidificación y elsocavamiento es mayor a los provocados por losdefectos tipo porosidad. Un mejoramiento de lageometria del perfil del cordón disminuye el efectode la concentración de esfuerzos, incrementandola resistencia a fatiga. Otra conclusión interesantees que los tratamientos superficiales, como

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el granallado, no mejoran sustancialmente laresistencia a fatiga de la unión soldada.

En la actualidad son ampliamente aceptados loscriterios de diseño y explotación que contemplansoldaduras con imperfecciones; bajo estos criterios,las soldaduras sólo necesitan ser reparadas si supresencia es peligrosa para la integridad de laestructura [15]. La integridad de las estructurassoldadas se estima con la vida a fatiga de la juntasoldada conteniendo imperfecciones, y comparándolacon la vida requerida. Por lo tanto, muchasinvestigaciones hacen un esfuerzo por encontrarel efecto dañino de los defectos en la soldadura.

Detección de defectos en soldadurasDiversas técnicas son utilizadas para la inspeccióny detección de defectos en uniones soldadas. Entreellas se pueden mencionar como fundamentales lainspección visual, rayos X, particulas magnéticas,tintas penetrantes, ultrasonidos, entre otras.

La investigación [24] utilizó la técnica de reflexiónultrasónica para la detección de defectos planosen soldaduras de aceros inoxidables austeniticos,el estudio concluye que las leyes de reflexión deonda ultrasónica no se mantienen y la energia serefleja en direcciones inesperadas. Lo anterior tieneconsecuencias importantes para las técnicas deinspección ultrasónica, ya que dependen de señalesespeculares para la detección de defectos. En estainvestigación un rayo que traza el acercamientode la señal ultrasónica es usado para estudiar lospatrones de comportamiento de reflexión para variostipos de defectos de soldadura y varias ubicacionesy orientaciones. En general el haz ultrasónico tendráque viajar primero a través del material base paraalcanzar el material de la soldadura austenitica,provocando una fuerte señal especular. La señalreflejada generalmente ocurre cerca de las direccionesesperadas excepto por olas de distorsión verticalmentepolarizadas. Además, para un tipo determinado desoldadura es útil minimizar la intensidad del hazultrasónico.

En el estudio realizado por Tabatabaeipour y Honarvar[25] se hicieron ensayos de tipo ultrasónico ensoldadura sobre acero austenitico para dos diferentesclases de procesos, la soldadura por arco con electrodorevestido (SMAW) y la soldadura por arco con gasinerte y electrodo de tungsteno (GTAW), mientras

que la técnica de ultrasonido utilizada en la pruebafue la de tiempo de difracción de vuelo (ToED).Dentro del procedimiento experimental se indujerondefectos artificiales en el proceso, en los dos tipos desoldaduras ensayadas. Los resultados mostraron uncomportamiento anisotrópico en el proceso GTAW,mientras que las probetas soldadas con el procesoSMAW presentaron un comportamiento isotrópico,lo anterior debido a los cambios microestructuralesproducto de los procesos. Por otra parte, la atenuaciónde amplitudes de eco es mayor en las probetassoldadas por el proceso GTAW. Las muestras seexaminaron por la técnica de ultrasonido ToFDen condiciones idénticas obteniéndose imágenesB-scan. Se concluyó que la técnica de inspecciónpor ultrasonido para la muestra preparada por elproceso SMAW es más adecuada que la realizadapor el proceso GTAW debido a una mayor dispersiónde las ondas en el segundo. Las mediciones tambiénmostraron que la forma en que la sonda es colocadaes muy importante en la técnica de detección dedefectos cuando se utiliza la técnica ToFD.

En otros estudios como [26] se explora el desarrollode un sistema automatizado para analizar defectospor soldadura detectados en radiografi'as. Se describeun estudio de clasificadores de patrón no lineal,implementado por redes neuronales, para clasificardefectos existentes en cordones de soldadura porla técnica radiográfica, destinada principalmente aaumentar el porcentaje de éxito de reconocimientode defectos obtenido con los clasificadores hneales.Para el desarrollo de esta investigación se utilizaronpatrones radiográficos del Instituto Internacional deSoldadura (IIW). Algunas funciones geométricas dedefectos fueron utilizadas como datos de entrada delos clasificadores. Se apUcó un criterio de relevancianeuronal para evaluar la capacidad de discriminaciónde las clases de funciones consideradas. Lo anteriorcon la finalidad de demostrar que la calidad delas características geométricas utilizadas es másimportante que la cantidad de funciones empleadas.La técnica de anáhsis de los componentes principalesde discriminación no lineal, también desarrolladopor redes neuronales, es utilizada para mostrar elproblema de la clasificación en dos dimensiones, asicomo para evaluar el rendimiento de la clasificaciónobtenida con estas técnicas. Otras investigacionescomo [27] exponen que las imágenes de soldadurapor rayos X contienen ruido incierto al igual quelos defectos dentro de ellas, las cuales poseen bajo

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contraste en su fondo, por lo cual son difíciles dedetectar. En esta investigación se localizaron ysegmentaron los defectos de la línea de imágenesde rayos X. Primero, se presentó un enfoque paraextraer características de imágenes de rayos X conmúltiples umbrales; se usa el apoyo de una máquinavectorial (S VM). Luego se utilizó la transformaciónde Hough para quitar los pixeles ruidosos en laregión de defecto grueso cuando el defecto fuelocalizado. Los resultados experimentales mostraronque el enfoque propuesto es efectivo y factiblepara localizar defectos en imágenes de rayos X desoldaduras ruidosas y con bajo contraste.

INTEGRIDAD ESTRUCTURALDE LAS UNIONES SOLDADAS DESDELA MECÁNICA DE LA FRACTURA

Conforme al estudio realizado por [28], la toleranciaal daño se define como la capacidad que posee unaestructura para soportar cargas estáticas y/o cíclicasderivadas de su vida en servicio, en presencia dedaño, producidos por fatiga, condiciones ambientales(corrosión, por ejemplo) o causas accidentales, hastaque dicho daño sea detectable mediante inspección. Elobjetivo de las inspecciones es la detección del dañoantes de que alcance un tamaño cn'tico, momento enel cual la estructura es incapaz de soportar las cargasy se produce la falla estructural. La Mecánica de laEractura es la ciencia que estudia estos fenómenos,en particular la resistencia residual; la cual se definecomo la capacidad resistente estructural considerandola presencia de grietas o defectos, el crecimientode esos defectos o grietas ante cargas estáticas ocíclicas y el tamaño crítico de dichos defectos ogrietas. Los esfuerzos nominales normalmenteson determinados por métodos convencionales dediseño. Estos afectan la resistencia a la fiactura frágil,reduciendo la capacidad de carga de la estructura.

Otra variable importante en mecánica de la fracturaes el tamaño de la grieta. Si una estructura estuviesecompletamente libre de grietas, la inestabilidadfrágil no sería posible y las consideraciones de lamecánica de la fractura no podrían ser tomadas encuenta. Sin embargo, los materiales de ingenieríano están libres de defectos tipo fisuras o de otrotipo. Entonces, lo más conveniente para disminuirla severidad de los defectos, es mejorar los procesosde manufactura para reducir su presencia y cantidad,a fin de que el factor de intensidad de esfuerzos

sea mucho menor que la tenacidad a la fractura delmaterial (Kjc). Para efectos del control del tamañoexistente de las fisuras, se debe usar un método deensayo no destructivo. La inspección puede serusada para promediar la medida de la posible fisuraen la estructura.

Otro parámetro a considerar en Mecánica de laEractura es la tenacidad a la fractura del metal basey el material de soldadura. Con un mayor valorde Kc o Kjc, tamaños de fisura más grandes y/oesfuerzos nominales mayores pueden ser toleradossin iniciación de una inestabilidad frágil.

Los valores específicos de K^ o K]c, para materialesde aporte en soldadura, no se encuentran disponiblescon facilidad en la hteratura. Sin embargo, se puedeusar el ensayo de impacto Charpy para estimarmediante ecuaciones empíricas la tenacidad a lafractura de algunos metales de aporte en soldadura[29].

Otro aspecto a tener en cuenta, cuando se aplicancriterios de la Mecánica de la Eractura Lineal Elástica(L.E.E.M.) a una estructura soldada, es la variaciónde la tenacidad a la fractura en la zona afectada porel calor debido a las variaciones microestructurales.

En las estructuras soldadas también se debeconsiderar la influencia de los esfuerzos residualesen la integridad estructural. En la mayoría de loscasos, el campo de esfuerzos residuales no estámuy bien definido, por lo tanto en estos casos laL.E.E.M. no tiene una metodología de aplicaciónbien establecida, en parte producto de la complejidadde implementación [29].

Existen otros autores que han evaluado la integridadde uniones soldadas. En [30] se realizó un estudiodel efecto de la heterogeneidad mecánica y del Kmitede carga, en una junta de soldadura con una grietalongitudinal, en la evaluación de la integral J y dela curva de falla. Para ello, fue utilizado el métodode los elementos finitos considerando un modeloelastoplástico. Los resultados indicaron que losvalores de la integral J, para las curvas de falla de laprueba, se ven muy afectados por el factor de carga.En la investigación [31] se analizó la resistenciaa la fractura, en ensayos de tracción de unionesrealizadas sobre fundición dúctil usando soldaduraoxiacetilénica con dos tipos de varilla de fundición

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laminar y también usando soldadura SMAW conelectrodos de Fe-Cr-Ni y de Ni-98,4%, Las soldadurasse llevaron a cabo con y sin precalentamiento, conel fin de evaluar la influencia del precalentamientosobre la resistencia de la unión. Los resultadosobtenidos mostraron como las soldaduras realizadascon varilla de fundición presentan una característicaresistente muy inferior a las de la fundición originalsin mejorar su comportamiento dúctil. Por otra parte,las realizadas con Fe-Cr-Ni o Ni presentaron unaresistencia mucbo más elevada, aunque inferior a laoriginal, pero con una gran mejora de la ductilidad.Las propiedades resistentes se relacionan también conla microestructura obtenida en el cordón para cadamaterial de aporte. En el estudio [32] se desarrollóuna solución analítica del factor de intensidad deesfuerzo de soldaduras por puntos en especímenesde diferentes materiales y espesores. Las solucionespara los esfuerzos estructurales, la intensidad deesfuerzo y el anáfisis de la integral J fueron obtenidasen función de la carga aplicada, las propiedadesmecánicas del material y los parámetros geométricosde la soldadura y la muestra. Las soluciones para losesfuerzos y el factor de intensidad de esfuerzos fuevalidado por los resultados de los análisis utiUzandoel método de elementos finitos 3D, para un puntode soldadura por fricción con la geometría ideal yun punto de soldadura por fricción con geometríacompleja.

Investigaciones y antecedentes en el estudio dela propagación de grietasDiversos estudios se ban realizado para explicarla propagación de grietas en uniones soldadas,por ejemplo. Mammoli y colaboradores en suinvestigación [33] utilizaron el método de loselementos de contomo para investigar el efecto delos defectos en la propagación de una grieta en lainterfaz entre dos materiales elásficos e isotrópicos.El estudio reveló que los defectos tienden a desviarlas grietas al acercarse a la interfaz, entre losmateriales, de su trayectoria original, si la distanciaentre el defecto y la punta de grieta es pequeñacon relación al tamaño del defecto. Se demostrótambién que los materiales con defectos interfacialestienen una tendencia significativamente mayora desviar las grietas, a lo largo de la interfaz, encomparación con los materiales que no presentaneste tipo de defectos. En la invesfigación [34] seestudió la influencia del tamaño de la soldadurasobre la fatiga y las características del crecimiento

de grietas para soldaduras por arco, con núcleo defundente (FCAW), empleando probetas de geometríacruciforme, que poseen como defecto la falta depenetración. Los experimentos de propagaciónsubcrítica de grieta se llevaron a cabo en unadirección vertical, con amplitud de carga constante.Las tasas de crecimiento de grieta se encontrarondependientes, principalmente de los cambios en lamicroestructura de la soldadura. En otros estudios,como [35], se analizó la estructura local y ladistribución de dureza en soldadura por puntos,ufilizando un modelo computacional compuestopor un metal base, una zona de afectación térmicay la capa adbesiva. En el estudio se ba tenido encuenta la falta de homogeneidad de las propiedadesmecánicas en la soldadura. Como resultado seobtuvo que en el borde de la soldadura ocurrió lamayor concentración de esfuerzos.

Otros investigadores ban direccionado sus estudiossobre soldaduras, al establecimiento de losmecanismos de falla y a la predicción del crecimientode grietas. En [36] se realizó un estudio de predicciónde crecimiento de grieta por anáfisis no lineal, de unsófido elastoplástico. En este trabajo se introdujoun radio variable de la zona plástica en el frentede grieta; y se propuso el criterio de los esfuerzosprincipales máximos para la dirección de inicio depropagación de la grieta, debido a que coincide conla dirección perpendicular del esfuerzo máximo. Lavelocidad de propagación de la grieta por fatiga fuecalculada como una función del rango del factorequivalente de intensidad de esfuerzos. El modelo decrecimiento de la grieta propuesto se compara conlos resultados experimentales obtenidos utilizandoel criterio de esfuerzo principal máximo. El estudio[37] establece la distribución de los esfuerzosresiduales y la tasa de crecimiento de la grieta porfatiga de soldaduras en tubos de acero inoxidable,para la zona de fusión de soldadura, el análisisóptico mostró una microestructura celular dendríficacon islas de ferrita en una matriz austenítica. Elanálisis de esfuerzos residuales mostró un altoesfuerzo de tracción en la región del centro de lasoldadura y esfuerzos de compresión en la zonaafectada por el calor. Las propiedades de tensióny la tasa de crecimiento de fisuras por fatiga semidieron a lo largo y a través de la dirección delespesor de la soldadura. Los ensayos de tracciónmostraron mayor resistencia en la zona de fusiónde la soldadura y en la zona afectada por el calor

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en comparación con la del metal base. Además, latasa de crecimiento de las grietas hallado fue variasveces mayor en la región interna de la soldaduraque en la región externa.

Protocolos de gestión de vida en estructurassoldadas y modelos predictivos de mecánica dela fracturaDe manera general, la mayoría de los eventos defallas peligrosas en estmcturas que soportan cargasestán asociados con la fractura. La fractura ocurrecuando una carga externa excede la resistenciadel material a la falla. La relación entre la cargay la resistencia de un material está fuertementeinfluenciada por la presencia de defectos, entrelos cuales las imperfecciones del tipo grieta sonlas más perjudiciales. En lo que concierne a unprograma de gestión de vida, se debe tener en cuentaque los factores clave correspondientes a la carga,resistencia del material, el tamaño del defecto y de lasposiciones asumidas en las variaciones estadísticasen circunstancias reales, pueden ser cuantificadosen un formato probabilístico [38].

La confiabilidad de los componentes de trabajopesado en el área nuclear, petroquímica, aeronáutica,naval o de la industria automotriz, puede serabordada con base a dos diferentes puntos devista de ingeniería. En el primero, el punto devista tradicional, el objetivo es garantizar una vida"segura" bajo las circunstancias operacionalesprescritas. Este enfoque ha sido desarrollado parala predicción de una vida útil segura bajo dañoprogresivo acumulado inducido por fatiga, corrosión,termofiuencia, irradiación, desgaste o envejecimientonatural [39]. Para este caso se aplican factores paradeterminar experimentalmente la resistencia a lafalla en función de garantizar una vida de operaciónsegura. La aplicación de este enfoque, ampliamenteusado en la actualidad en la ingeniería convencional,implica el retiro o el reemplazo de los componenteso las estructuras cuando el tiempo de vida seguroes alcanzado. El producto construido con fiabilidadestá basado solamente en la inspección realizadadurante la fabricación, para asegurar que tengauna calidad "libre de defectos" antes de su puestaen operación.

Desafortunadamente, en la práctica ingenieril actuallo anterior es difícil de garantizar. Resaltándoseel hecho de que muchas fallas catastróficas.

especialmente en el campo aeroespacial, hanresaltado la inconsistencia del procedimiento detiempo de vida seguro [40-41].

Como resultado, un segundo tipo de filosofía dediseño, fabricación y mantenimiento ha surgido en laindustria de alta tecnología, la cual pone énfasis enla operación segura de sistemas mecánicos, aun conpresencia de defectos. Estos últimos pueden existirdesde el inicio o desarrollarse por daño acumulativodurante la operación. Esta nueva filosofía deingeniería está enfocada en la "tolerancia al daño",dentro de los intervalos de tiempo establecidos,entre las inspecciones durante el servicio. Bajo estaperspectiva, los intervalos de inspección dictan lareparación o el retiro de los componentes dañadoso bien de la estructura completa. La confiabilidaddel producto puede así ser manejada a unos costosmás bajos. De manera que el enfoque basado enla tolerancia al daño reconoce que el riesgo defalla no puede ser completamente eliminado. Sinembargo, sí permite contribuir para minimizar elriesgo de la falla a niveles tolerables (probabihdadesde falla entre 10"" y 10'^), debido a la combinacióndel conocimiento, razonamiento del diseñador ydel personal de producción y aseguramiento de lacalidad. La confiabilidad de la inspección, juntocon la cuantificación del riesgo de falla, juega unpapel central en la aplicación exitosa de la filosofíade la tolerancia al daño.

La filosofía de la tolerancia al daño se incorporafácilmente a la Mecánica de la Fractura Probabih'stica.El riesgo de falla es cuantificado en términos de laprobabilidad de falla por año de operación [42-43].La decisión de reparar o retirar un elemento se hacecon base a la evaluación probabih'stica del riesgode falla. Lo anterior representa un mayor avanceen comparación con la declaración "sí-no" propiadel enfoque tradicional y del criterio asociado deaceptación "sí-no" de los ensayos no destructivos.

En la Figura 2 se muestra la base del riesgo defalla mecánica teniendo como ingrediente clave ala Mecánica de la Fractura Probabih'stica. En estasíntesis se recogen las contribuciones de varioscampos de la ingeniería en la determinación de laprobabilidad de falla de un componente.

En el diagrama anterior se aprecia que las estadísticasde carga, por ejemplo, análisis de patrones de

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NDECuantitativo

Confiabilidadde los

resultadosmodelados

Resultado delproceso de

caracterizacióndel material

Tenacidad/Integral J

Cálculo de la probabilidadde la falla mecánica

del componente

Evaluación del daño causadopor la posible falla

Toma de decisiónDimensión (técnica, económica,

social, ambiental, política)

Mecánicade la Fractura(K, J, COD...)

Modeladode la carga

del compohentedurante su tiempo

de vida

Figura 2. Diagrama de flujo del programa de inspección basado en el riesgo. Adaptado de [44].

cargas aleatorias, confiabilidad de las pruebasno destructivas y la dispersión estadística de laresistencia del material son parámetros de entradanecesarios para modelar fallas potenciales. Estalógica general tiene distintas características cuandoestá relacionada con la fractura dúctil / frágil o conel daño acumulado debido a la fatiga, corrosión,desgaste, termofluencia o radiación. También sedeben tomar decisiones acerca del nivel de riesgoaceptable. Esta última tarea está fuertementeinfluenciada por la naturaleza del producto y suscircunstancias operacionales que son una cuestiónque involucra problemas globales de tipo técnico,económico, social y político [44].

En el estudio [45] se presenta una simulacióndetallada, utilizando el método de los elementosfinitos para analizar soldaduras longitudinales porhaz de electrones. En la investigación [46] se estudióel daño debido a la deformación por fluencia lenta{creep), en tuberías soldadas, sometidas a presióninterior, utilizando el método de los elementosfinitos. Se incorpora el efecto de la degradación delos materiales con el tiempo debido a reparacionesy los esfuerzos residuales debido al ciclo térmico.El análisis se realizó sometiendo el modelo a cargaaxial y variando la profundidad de la reparación.

Se concluyó que el daño estmctural se origina enlos sectores que han sido reparados. Se reportatambién que las grietas se presentan por debajode la superficie de la tubería y evolucionan con eltiempo hasta la superficie.

En la investigación [47] se anaMzó el esfuerzo de fatigade bajo ciclaje, para uniones soldadas en perfiles He I con placa de refuerzo, en los que las soldaduras atope y filete cooperan en la transmisión de la carga.El enfoque adoptado se basó en el modelamientodel estado de deformación en el pie de la soldadura.El comportamiento local de esfuerzo-deformaciónelastoplástica en la raíz de la muesca se evaluóempleando la regla de Neuber y se obtuvieron curvasde carga-vida mediante la ecuación basada en lafórmula de Langer. Se concluyó que la anisotropíadel material desarrollada durante el primer ciclo dedeformación plástica en el área de la entalla conduce,luego de producirse la descarga, a la aparición de unciclo de esfuerzos plásticos totalmente reversible.Lo anterior conduce a que el agrietamiento ocurradespués de un pequeño número de ciclos de carga.

En el estudio [48] se determinó el crecimientode grietas por fatiga en tubos de acero inoxidableaustenítico, soldados mediante el proceso GTAW.

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Ingeniare. Revista chilena de ingeniería, vol. 21 N°2, 2013

El análisis se realizó utilizando la Ley de Paris y lasconstantes, para el material base y la unión soldada,se determinaron experimentalmente conforme ala norma ASTM E647. Los experimentos fueronllevados a cabo para predecir el crecimiento de lagrieta a fatiga en la superficie exterior de los tubossoldados. Se observó que el tamaño de grieta crecede manera proporcional al número de ciclos de carga.Los resultados obtenidos fueron comparados con losalcanzados para tubos soldados por proceso SMAW.

En [49] se realizó un análisis tridimensional porelementos finitos de especimenes soldados sometidosa la prueba de impacto Charpy. Para el modelamientode los especimenes se varió la orientación de lasoldadura. Se concluye que la respuesta del material serige por una ecuación constitutiva elasto-viscoplástica(plástico sólido poroso). Esta expresión toma enconsideración la geometria de la soldadura, laspropiedades mecánicas de la zona de afectacióntérmica y el metal base. En el estudio [50] se predicela vida a faüga de bajo ciclo, para juntas soldadas porpuntos, basándose en la distribución de microdurezay resistencia mecánica, en las diferentes zonas de laperiferia de la soldadura a tope. El análisis se realizóutihzando el software ANS YS y se llevó a cabo paraun solo punto. La relación entre la microdureza, elesfuerzo y las constantes ciclicas del material, de lasdiferentes zonas, en la periferia de la soldadura porpuntos, se determinan conforme a la distribución dela dureza, asi como los parámetros relacionados conla fatiga en el material base. Utilizando los esfuerzoslocales y los esfuerzos obtenidos del análisis deelementos finitos, se predijo la vida a la fatiga enla soldadura por puntos, aphcando la ecuación deMorrow Manson-Coffin y la ecuación de Smith-Watson-Topper. Los resultados de predicción devida mostraron buena concordancia con los datosexperimentales en régimen de fatiga de bajo ciclo.

CONCLUSIONES

Los defectos tipo grieta de solidificación, ensoldadura, influencian significativamente el campode tensiones de la soldadura cuando el componentesoldado es sometido a una carga ciclica.

El defecto por falta de penetración (LOP) puedereducir significativamente la vida a fatiga de launión soldada, mientras que el defecto por falta defusión (LOF) es menos critico.

Los métodos de anáhsis numérico han contribuido,en gran medida, a la comprensión del papel de lastensiones residuales en piezas soldadas. En formaparticular, el método de los elementos finitos (FEM)se ha convertido en una herramienta poderosa para elanálisis de la vida residual y la integridad estructuralde uniones soldadas con presencia de un campo deesfuerzos residuales.

La Mecánica de la Fractura se utiliza ampliamentepara la determinación de mecanismos de falla yprogresión de grietas en soldaduras, en combinacióncon métodos de gestión de vida, siendo muyútiles para estimar la vida en uniones soldadas decomponentes estructurales.

Se emplean en la actualidad una gran variedad demétodos para la inspección de uniones soldadas.

Entre todas ellas, la técnica de inspección ultrasónicabrinda evidentes ventajas, aunque se requiere deequipamiento especializado y personal altamentecapacitado para la interpretación de los resultadosde esta técnica.

La calidad de la información obtenida, por mediode ultrasonido, está influenciada por el tipo desoldadura. Por ejemplo, el proceso de soldaduraGTAW muestra una distribución anisotrópica,mientras que probetas soldadas con el procesoSMAW presentan un comportamiento isotrópico,debido a la orientación de los granos en el depósitosoldado; esto hace que la detección de defectos ensoldadura, utilizando métodos de ultrasonido, seamás sencilla en probetas soldadas por el procesoSMAW.

Los trabajos de investigación en esta área poseenuna tendencia actual de estudiar el comportamientoa fatiga e integridad estructural de uniones soldadasobtenidas mediante distintas técnicas (ej.: SAW,SMAW, TIG, entre otras); y en la mayoria de loscasos se analizan los materiales de ingenieria demayor uso en aplicaciones estructurales, comoson los aceros estructurales, aceros inoxidables,aleaciones de aluminio y las fundiciones dúctiles.Las investigaciones van encaminadas a modelartanto la fase de iniciación como la de propagaciónestable de las grietas. Con frecuencia, estas tambiénse centran en comprender cómo influye la geometríay las clases de defectos en la integridad estructural de

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la unión soldada. Además, los esfuerzos residualesgenerados por el ciclo térmico son considerados unfactor importante a tener en cuenta en los modelosnuméricos.

En una amplia cantidad de trabajos los defectosson tratados como detalles geométricos queinducen concentración de esfuerzos que aceleranlos mecanismos de iniciación y propagación de lasgrietas de fatiga. Los procedimientos actuales demodelatniento incluyen la generación de modelosgeométricos empleando un mejor grado de detalledel cordón de soldadura y del material a unir,considerando la influencia que tienen el perfil delcordón, desalineación entre las partes y las variacionesde espesor, entre otros factores.

Se estima que en la próxima década las investigacionesen el área emplearán modelos computacionales demayor complejidad, haciendo uso de la mecánicadel medio continuo, mecánica de la fractura y elmétodo de los elementos finitos. Varios de estosmodelos con seguridad emplearán ecuacionesconstitutivas que den cuenta de anisotropía localizada,gradientes de esfuerzos residuales mejor detalladosy de las conexiones bifásicas entre los distintoselementos constitutivos de la unión. Todos estosresultados contribuirán a una mejor comprensión delcomportamiento de las uniones soldadas, bajo cargascíclicas y la presencia de defectos y concentradoresde esfuerzos geométricos. Lo anterior posibilitarágenerar códigos de soldadura más precisos, dondese pueda establecer un criterio moderno de diseño deuniones soldadas basado en el fenómeno de la fatiga.

AGRADECIMIENTOS

Los autores del presente artículo agradecen a laDirección de Investigaciones de la Universidad deIbagué y de la Universidad Nacional de Colombia,por su valiosa colaboración y aportes en el desarrollode este trabajo.

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ESTADO DEL ARTE SOBRE LA INTEGRIDAD ESTRUCTURAL DE UNIONES

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