Comprender la fatiga en acero soldado: causas, efectos y prevención

La fatiga causa más del 90 por ciento de fallos en componentes de ingeniería con piezas de acero soldado. La fatiga en equipos estacionarios es una gran preocupación, sin embargo, es crucial en equipos móviles, que experimentan cargas impredecibles, lo que los hace susceptibles a fallos por fatiga.

¿Qué es la fatiga?

La fatiga en acero soldado ocurre cuando se elimina y reaplica repetidamente una carga de magnitud insuficiente en una sola aplicación. Cuando la carga supera un cierto umbral, crea grietas microscópicas en el acero, que gradualmente alcanzan un tamaño crítico y se propagan inesperadamente, causando fallo estructural. Varios factores como falta de fusión, forma y falta de penetración afectan la vida a fatiga de una estructura. En acero soldado, los defectos de diseño proporcionan sitios ideales para la formación de grietas. En su totalidad, el fallo por fatiga ocurre rápido, con una fase de iniciación inexistente.

¿Qué es la vida a fatiga?

El término vida a fatiga en ingeniería se refiere al número de ciclos de esfuerzo que el acero soldado puede soportar antes de que ocurra un fallo estructural. Al tratar con acero, los ingenieros siempre trabajan con un valor teórico para la magnitud del esfuerzo, por debajo del cual el acero funcionará de manera óptima independientemente del número de ciclos de esfuerzo.

Los ingenieros que prueban la vida a fatiga del acero soldado se centran en deformaciones, defectos internos, la técnica de soldadura y la concentración de esfuerzo en la punta del cordón.

Al identificar fallos en estructuras y equipos de acero soldado, hay dos tipos comunes de fallos:

1. Fallo estático — El fallo estático comienza con una deformación plástica obvia que puede detectar y reparar fácilmente. El fallo estático rara vez causa accidentes repentinos y catastróficos.
2. Fallo por fatiga — El fallo por fatiga a menudo comienza con grietas microscópicas que aumentan gradualmente de tamaño, reduciendo la efectividad de carga de un área. La falta de detección temprana de las grietas a menudo conduce a fallos estructurales y de equipos repentinos y catastróficos.

Fatiga en acero soldado

En las últimas décadas, los ingenieros han dedicado mucho tiempo a investigar el fallo por fatiga en acero soldado, invirtiendo tiempo y energía en desarrollar un sistema que les permita predecir la vida útil y reducir el número de fallos estructurales.

Debido a la naturaleza catastrófica de los fallos relacionados con la fatiga, hay diferentes técnicas no destructivas que los ingenieros usan para inspeccionar y probar rastros de fatiga, por ejemplo, inspecciones visuales e imágenes ultrasónicas entre otras. Sin embargo, los logros principales para ayudar a prevenir catástrofes relacionadas con la fatiga se centran en técnicas de soldadura que abordan problemas de fatiga en el diseño y fabricación de una soldadura.

Técnicas de mejora de soldadura

La soldadura inherentemente reduce la vida a fatiga de piezas y estructuras de acero, presentando un desafío de diseño continuo. Hay diferentes técnicas que diseñadores e ingenieros usan para aumentar la vida a fatiga y la resistencia del acero soldado, y posteriormente, reducir los fallos estructurales relacionados con la fatiga. Incluyen:

Técnicas de rectificado de punta de soldadura

Una rectificadora de fresa usa una rectificadora neumática de alta velocidad que se mueve a una velocidad de hasta 40.000 rpm. El rectificado con fresa elimina defectos superficiales y mezcla el metal de soldadura con la placa base, lo que da a la soldadura una forma que reduce la concentración local de esfuerzo. El proceso se centra en eliminar defectos y socavados de la punta de la soldadura.

Un rectificador de disco modifica la forma de la soldadura eliminando inclusiones de escoria y socavados. En comparación con la rectificadora de fresa, es más rápido, por lo tanto más rentable, pero también deja marcas de rectificado, que sirven como sitios de iniciación para grietas de fatiga. El rectificado de disco reduce el riesgo de incidentes de fatiga en un 20 a 50 por ciento, lo cual es relativamente menor que usando rectificado con fresa.

Técnicas de refundido de punta de soldadura

La técnica de refundido de punta de soldadura funde la región de la soldadura a una profundidad superficial, lo que aumenta sustancialmente la resistencia a fatiga de la unión soldada. El proceso de refundido usa equipo de soldadura por plasma o Gas Inerte de Tungsteno (TIG). La principal deficiencia de esta técnica es que no hay criterio de inspección para ayudarle a evaluar si el proceso fue satisfactorio.

Métodos de granallado

Soldar dos materiales juntos crea esfuerzo residual de tracción por la contracción de la soldadura una vez que se enfría, lo que debilita la resistencia a fatiga del acero. Una forma de mejorar la resistencia a fatiga es introducir esfuerzo residual de compresión, que da mejores resultados.

Las técnicas de granallado introducen esfuerzo de compresión; es un proceso de trabajo en frío que impacta la superficie con una herramienta o pequeñas bolas de metal creando deformaciones plásticas. En última instancia, el proceso de granallado mejora la resistencia a fatiga permitiendo mayores resistencias del acero.

Métodos de alivio de tensiones

A diferencia del método de granallado, los métodos de alivio de tensiones trabajan para reducir el esfuerzo residual de tracción creado por la contracción. Las técnicas de alivio de tensiones se centran en refinar el procedimiento de soldadura y controlar las temperaturas que distorsionan la soldadura.

Varias industrias, fabricantes y herramientas usan acero soldado para sus partes. Comprender los factores internos que contribuyen al fallo del equipo es crucial para el proceso de diseño. Los diseñadores que trabajan con acero soldado pueden crear maquinaria que aborde problemas de fatiga desde el inicio. Si tiene una necesidad de fabricación o soldadura, contacte a Swanton Welding. Nuestra tecnología innovadora y soldadores expertos le proporcionarán un gran producto cada vez.