Fracture mechanics assessment of fatigue semi-elliptical cracks in butt-welded joints

Evaluación por mecánica de la fractura de grietas semielipticas por fatiga en uniones soldadas a tope

En este trabajo se realiza un estudio teórico sobre la influencia que posee en la vida de fatiga la geometría del perfil del cordón de soldadura. Se considera una soldadura a tope utilizando SMAW, placas en acero estructural A36 de 6 mm de espesor y electrodo E6013. La influencia de la geometría es parametrizada por medio del sobreespesor del cordón y el radio del pie de soldadura, para ello se realiza un arreglo de experimento a tres niveles. Para el desarrollo del presente trabajo se utilizó cierta información proveniente de resultados experimentales (por ejemplo: perfil de soldadura y propiedades mecánicas). La geometría de un grupo de cordones de soldadura reales es digitalizada y emulada en la construcción de los modelos de sólido 3D, mientras que se define una grieta semielíptica superficial en el pie de la soldadura. Mediante el Método de los Elementos Finitos se obtienen ecuaciones analíticas para el factor de magnificación por soldadura (M_k). Como resultados principales se destacan, en primer lugar, la marcada influencia que posee el sobreespesor del cordón en la vida de fatiga, un mayor sobreespesor significa una reducción en la predicción de vida de fatiga de hasta un 42% para la unión soldada considerada; y en segundo lugar la evolución diferente del factor de intensidad de esfuerzos en el perímetro del vértice de la grieta, lo cual provoca que la grieta durante su propagación estable se vuelva cada vez más alargada y estrecha. Las ecuaciones analíticas obtenidas para M_k pueden ser utilizadas en modelos de gestión de vida para este tipo de unión soldada.

INTRODUCCIÓN

En las uniones soldadas a tope, el perfil geométrico y las propiedades fracto-mecánicas del material tienen una gran influencia en la resistencia a la fatiga. Ciertos factores geométricos, como el radio de la punta de la soldadura (ρ) y el sobreespesor de la soldadura (s), afectan al periodo inicial de las grietas de fatiga 1: tras el periodo de iniciación de la grieta, su velocidad de propagación dependerá, en gran medida, de las propiedades fracto-mecánicas del material. En las uniones soldadas, principalmente, estas propiedades no permanecen constantes en todas las zonas de la unión, debido al gradiente térmico que se genera en el proceso de soldadura. Por lo tanto, se pueden observar tres zonas bien definidas con diferente tamaño de grano y microestructura, como resultado de la coalición microestructural, denominadas zona de fusión (FZ), zona afectada por el calor (HAZ) y metal base (BM) 2.

Las grietas superficiales, que generalmente se presentan por fatiga de las uniones soldadas, son semielípticas en el radio de la punta de la soldadura. Esta geometría permite realizar el comportamiento de la grieta, mediante evaluaciones matemáticas, a través de la Fractura Mecánica basada en la distribución de tensiones, deformaciones y desplazamientos frente a la fractura a través del factor de intensidad de tensiones (K) (3; también es posible evaluar la propagación de la grieta por fatiga en uniones soldadas tras utilizar la relación empírica propuesta por Paris y Erdogan 4: