Evaluación del comportamiento a fatiga de una unión soldada a tope de acero AISI 1015

Evaluation of the fatigue behaviour of a butt welded joint of AISI 1015 steel

Pavel-Michel Almaguer-Zaldivar, Roberto-Andrés Estrada-Cingualbres

Universidad de Holguín. Facultad de Ingeniería. Centro de Estudios CAD-CAM. Holguín, Cuba

Las uniones soldadas son un componente importante de una estructura, por lo que siempre es necesario conocer la respuesta de las mismas sometidas a cargas cíclicas. El objetivo de este trabajo es obtener la curva S-N de una unión soldada a tope de acero AISI 1015 y electrodo E6013 como material de aporte. Los ensayos a fatiga se realizaron de acuerdo a la norma ASTM en una máquina universal MTS810. Se utilizaron probetas de sección rectangular. El ciclo de carga fue asimétrico a tracción, con un coeficiente de asimetría de 0,1. Se obtuvo que la unión estudiada tiene un límite de resistencia a la fatiga de 178 MPa, a un punto de corte de 2 039 093 ciclos.

Palabras claves: unión soldada, fatiga, curva S-N, AISI 1015, electrodo E6013.

ABSTRACT

Welded joints are an important component in structures, by this reason is necessary to know the behaviour of these elements under cyclic loads. The objective of this work is to obtain the S-N curve of the butt welded joint of AISI 1015 steel and electrode E6013 as the contribution material. Fatigue test was realized within the ASTM standard in the MTS810 testing machine. Rectangular cross section specimens was used. Cyclic loads was asymmetric tensile and the asymmetry ratio used was 0,1. In this study was obtained the fatigue limit equal to 178 MPa, at the cut point of 2 039 093 cycles.

Key words: welded joint, fatigue, S-N curve, AISI 1015 steel, electrode E6013.

INTRODUCCIÓN

En las uniones soldadas presenta especial interés la Zona de Afectación Térmica (ZAT) que debido a las elevadas temperaturas alcanzadas durante la soldadura, experimenta transformaciones metalográficas importantes y también en sus propiedades mecánicas. Por esa razón es de esperar que en los casos de uniones soldadas sometidas a cargas cíclicas, el fallo de las mismas ocurra precisamente en esa zona.

La influencia que las discontinuidades geométricas tienen sobre la resistencia a la fatiga de las uniones soldadas es un hecho ampliamente reconocido. En la ZAT, puede ser donde nuclean las discontinuidades que en general son las iniciadoras de las grietas de fatiga en las uniones soldadas. La fisura por fatiga comienza en un defecto local de la estructura, ya sea interno o externo, de hecho la propia geometría del cordón ya constituye una discontinuidad geométrica, que resulta ser un concentrador de esfuerzos.

Zhi et al., estudiaron la fatiga de uniones soldadas mediante distintos métodos y compararon los resultados experimentales y numéricos buscando modelos para predecir el comportamiento de la unión. [4] Por otro lado Susmel y Askes estudiaron la fatiga de uniones mediante la curva de Wohler modificada y entre sus conclusiones está que es necesario proveer a los ingenieros de curvas de diseño que permitan evaluar cualquier unión. [5]

Como se aprecia; la respuesta a fatiga de las uniones soldadas siempre es objeto de estudio de ingenieros e investigadores, debido a la complejidad del fenómeno y a la importancia y aplicación de estas uniones en los elementos de máquina y estructuras.

En este estudio se persigue como objetivo mostrar la curva S-N para una unión soldada a tope en la que se emplea el acero AISI 1015 como material base y el material de aportación es el electrodo E6013.

MÉTODOS Y MATERIALES

Para realizar este estudio se empleó un acero AISI 1015 como material base. Este es un acero que posee una buena soldabilidad.

Las dimensiones del cordón de soldadura fueron tomadas de la norma cubana NC 08-06:82 Costura de las uniones soldadas. Tipos y elementos del diseño. [6] En la revisión realizada antes de desarrollar este trabajo no se encontró una norma que rigiera la forma de las probetas para ensayos de tracción cíclica. Por esta razón se decidió utilizar probetas con forma de hueso de perro o dog bones. Las dimensiones utilizadas para fabricar estas probetas (ver Fig. 1) fueron tomadas de la norma cubana NC 04-72 Probeta para ensayos de tracción transversal en uniones soldadas a tope. [7] Además en trabajos previos se había utilizado  esta configuración geométrica [8] o similar, sin el cambio de sección [9] para el ensayo a fatiga de uniones soldadas a tope. Se ensayaron 21 probetas que antes de ser sometidas al ensayo a fatiga fueron evaluadas mediante inspección visual y después mediante el ensayo de líquidos penetrantes [10]. No se detectaron defectos por los que fuera necesario desechar las probetas. 

El material base que se utilizó para la soldadura se tenía en una plancha de 500 mm x 600 mm x 4 mm. La unión se realizó a tope sin preparación de bordes, con cordones a ambos lados atendiendo a las dimensiones y forma propuestas en la figura 1.

Para comprobar que el material utilizado en los experimentos fuera el acero AISI 1015 se realizó el análisis químico de una muestra cuadrada de 5 cm de lado y 4 mm de espesor extraída del material base. El análisis se realizó en un Cuantómetro ARL 3460. En la tabla 1 se muestran los resultados de este análisis para los principales elementos que permiten afirmar que el material utilizado es el acero en cuestión. Atendiendo al porcentaje de cada elemento de aleación presente en la muestra es posible corroborar que se trata del acero AISI 1015. La composición química del material base según la bibliografía está en la tabla 1, mientras que las propiedades mecánicas se encuentran en la tabla 2.

Para realizar las uniones soldadas se utilizó el proceso de soldadura manual por arco eléctrico. El electrodo utilizado es el E6013.

La tabla 2 también muestra las propiedades mecánicas del depósito. Las propiedades mecánicas mostradas se obtuvieron de los datos proporcionados por el fabricante en el envase de los electrodos. Como se aprecia en la primera de ellas, la resistencia mecánica de este material de aporte es algo superior que la del material base, referida en la misma tabla 2, por lo tanto la selección de este electrodo es posible. Se eligió el diámetro del electrodo de 3,2 mm y se efectúo una pasada por cada lado de la unión.

Para determinar los parámetros del proceso de soldadura se elaboró una macro, denominada WeldParam, valiéndonos del Visual Basic para Aplicaciones que tiene incorporado el programa Microsoft Excel 2003. Con esta macro es posible calcular los carbonos equivalentes según diferentes criterios, la temperatura de precalentamiento, parámetros del proceso de soldadura, así como otros de índole energético que son importantes en la realización de la presente investigación.

el manual de usuario de la macro desde http://www.ingenieriamecanica.cujae.edu.cu/public/descargas/manual_usuario_macro_WeldParam.pdf y la macro desde http://www.ingenieriamecanica.cujae.edu.cu/public/descargas/macro_tecn_soldadura.rar

Los valores obtenidos de las diferentes magnitudes necesarias para realizar la soldadura fueron:

• Intensidad de corriente: 90 A -120 A.
• Tensión: 24 V -26 V.
]]> Número de cordones: 2.
• Velocidad de soldadura: 59,57 mm/min -79,42 mm/min.
• Número de electrodos (para elaborar una probeta): 0,421.
• Tiempo total (para elaborar una probeta): 81,216 s -60,912 s.
• Máquina: TRI-ARC 504. Rectificador con capacidad entre 70 A -500 A y 23 V -40 V.

Uno de los factores que más se tiene en cuenta es, sin duda alguna, la concentración de tensiones de manera local que tiene lugar en aquellos puntos donde existen cambios de sección propios de la geometría del elemento, o defectos que tengan lugar durante el proceso de fabricación.

Las uniones soldadas, debido a su geometría, son ya concentradores de tensiones, siendo el cambio de sección entre el metal base y el sobrecordón una discontinuidad importante, a lo que se suma la disminución de la tenacidad en la ZAT; que propiciarán el fallo de la unión ante las carga variables.

La unión soldada objeto de estudio fue ensayada a fatiga, para ello fue necesario determinar los valores de los parámetros del ciclo de carga. El régimen de carga empleado fue a tracción asimétrica.

El primer parámetro determinado fue la tensión máxima σ_max (ecuación 1). Considerando que el fallo de la unión debe producirse en la ZAT, se consideraron las propiedades del material base para calcular ese valor.

El valor de la tensión máxima calculada mediante la expresión anterior es igual a σ= 210 MPa a la que correspondió una carga máxima P= 33,60 kN.

En esta investigación, los siguientes niveles de carga se determinaron a medida que se avanzó en la realización de los experimentos. Esto se debió a la gran dispersión que existe en los resultados de los ensayos a fatiga. La lógica que se siguió para determinar los siguientes niveles de carga fue la siguiente: se disminuyó el valor de carga hasta que las probetas ensayadas igualaron o superaron el valor de
1 500 000 ciclos, para los que se corresponde el límite de resistencia a la fatiga en el caso de las uniones según la norma ASTM E 739 -91 [11]. Para los ensayos se fijó la razón de asimetría del ciclo R= 0,1. La frecuencia de aplicación de la carga fue de 14 Hz. Como criterio de fallo se utilizó el de fractura total. El ensayo se interrumpía cuando eran aplicados 1 500 000 ciclos de carga. La temperatura del laboratorio era de 20 ºC ± 2 ºC.

Los ensayos se realizaron a 4 niveles de carga. Esto obedeció a la forma en que se desarrollan los experimentos a fatiga. Para obtener el límite de resistencia a la fatiga se ensayan probetas a valores de carga que se van disminuyendo, de manera empírica, hasta que varias probetas resistan el número de ciclos necesarios para considerar que se ha alcanzado dicho límite. Una vez establecido el mismo se procede a ensayar probetas a valores intermedios de carga para lograr el ajuste de la curva. En nuestro caso, después de estudiar el primer nivel de carga, para el segundo se escogió aplicar una carga P= 28,5 kN. Las probetas ensayadas con esa carga resistieron mayor cantidad de ciclos que los definidos para considerar el límite de resistencia a la fatiga de uniones, por lo tanto se fijó que la tensión que surgía con esa carga, se correspondía con el valor de tensión correspondiente al límite de resistencia a la fatiga que se buscaba en la investigación. Fue necesario entonces ajustar los puntos intermedios de la curva y para ello se analizaron dos niveles de carga más, seleccionando cargas de 31,5 kN y 30,5 kN, respectivamente. Esta manera de realizar los ensayos a fatiga se conoce como método de la escalera o sube y baja.

Los ensayos a fatiga se realizaron en el laboratorio de estructuras de la Universidad de Burgos, España, se usó una máquina universal MTS810 de fabricación estadounidense.

En este trabajo se realizó un análisis fractográfico a todas las probetas que fallaron a fatiga mediante microscopía óptica (MO) y electrónica de barrido (SEM) utilizando un Estereomicroscopio Zeiss Stemi SV11 y un Microscopio electrónico de Barrido JEOL JSM-6460LV con sistema INCA de análisis elemental por Rayos X, respectivamente.

Análisis estadístico del ensayo a fatiga

Para el tratamiento de los resultados de los ensayos a fatiga se aplicó en esta investigación la norma ASTM E 739 – 91 Standard Practice for Statistical Analysis of Linear or Linearized Stress-Life (S-N) and Strain-Life (ε-N) Fatigue Data [11] que rige el tratamiento estadístico de los mismos.

De manera general, es posible relacionar la vida a fatiga con la tensión del ciclo mediante la fórmula que sigue (ver ecuación 2)

Donde A y B son los coeficientes de ajuste de la ecuación.

El logaritmo de N se usa como la variable dependiente y se denota por Y; mientras que la variable independiente se denota por X y puede ser S, ε, Log S o Log ε. En este estudio se utilizará la tensión máxima del ciclo, que la llamaremos posteriormente S_max.

De acuerdo a lo planteado aquí la linealización de la ecuación de la dependencia entre N y S_max  toma la forma [11] ver ecuación 3

El tamaño de la muestra k, de acuerdo a la misma norma mencionada antes puede estar entre 12 y 24 para datos confiables [11]. En esta investigación fue de 21 probetas ensayadas.

El porciento de replicación es igual al 81 %. Se le debe prestar atención a que el porciento de replicación indica que porción de la cantidad de probetas ensayadas puede ser usada para obtener una estimación de la variabilidad de los ensayos replicados. En la bibliografía [11] plantean que debe estar entre 75 y 88 %. El valor calculado en esta investigación corresponde a 17,01 probetas. Se realizaron las estimaciones en base a las 21 probetas ensayadas.

Los estimadores para los coeficientes de la ecuación 3 se determinaron mediante las expresiones siguientes ecuaciones 4 y 5

Los símbolos "casquete" (∧) y "barra superior" (-) significan "estimador" y "valor medio" respectivamente.

Los valores de los estimadores así calculados son  = 11,775 716 240 y = -0,031 058 404.

Sustituyendo estos valores en la expresión 2 se obtiene la ecuación que relaciona el número de ciclos N y la tensión máxima del ciclo S_max, ver ecuación 6

La varianza del logaritmo del número de ciclos es =0,393 980 430.

Los intervalos de confianza para los valores de A y B pueden ser establecidos usando la distribución t que aparece en la referencia [7].

Los intervalos de confianza así determinados son los siguientes:

• Para el estimador de A: [8,623 104 537; 14,928 327 930].
]]> Para el estimador de B: [-0,047 148 940; -0,014 967 870]. 

Ahora es necesario probar la certeza del uso del modelo lineal asumido (ecuación 3). Si el ensayo es realizado de manera tal que sean observados más de un valor de Y para algunos valores de X_i (X_i son los niveles de carga e i ≥ 3) entonces es posible realizar una prueba estadística basada en la distribución F que aparece en [7]. El logaritmo de N en la j-ésima probeta ensayada en el i-ésimo nivel de X es denotado para este análisis como Y_ij.

En nuestro estudio los ensayos a fatiga se realizaron a l=4 diferentes niveles de carga y fueron observados diferentes valores m_i de Y en cada valor de X_i. La hipótesis de linealidad expresada en la ecuación 3 es rechazada cuando el valor de F calculado usando la expresión 7 es mayor que F_p determinado de [7] para el nivel de significancia deseado. Para un nivel de significancia del 95 % F_p = 3,6823.

El parámetro F calculado tiene un valor de 3,4577 siendo menor que F_p por lo tanto se acepta la hipótesis de linealidad del modelo que se emplea para el estudio de los resultados del ensayo a fatiga de la unión soldada.

RESULTADOS

De acuerdo a lo expresado en la sección anterior se realizaron experimentos a 4 niveles de carga. En el primer nivel de carga se obtuvo una gran dispersión de los valores de los ciclos N a los que fallaron las probetas (ver Fig. 2). Cuando se habían realizado experimentos en este nivel se observó que la probeta número 2 había resistido muy pocos ciclos, solo 24 624. Por esta causa se decidió ensayar una probeta más con una carga de 33,6 kN con el objetivo de disminuir la dispersión en el valor medio de los ciclos. Como la sexta probeta ensayada resistió 284 893 ciclos, se logra un mejor ajuste de la curva en el primer nivel de carga.

 La tabla 3 muestra los valores de los parámetros de cada ciclo a los que se realizaron los ensayos.

En la figura 3 se muestran la cantidad de ciclos que resistió cada probeta y la cantidad de probetas que fueron ensayadas en cada nivel de carga.

Para ensayar los siguientes niveles de carga se mantiene constante el coeficiente de asimetría del ciclo y se disminuye el valor de carga y por ende de tensión hasta que la probeta falle a 1500000 ciclos. Los datos que se le proporcionaban a la máquina de ensayo para configurar los experimentos son las cargas.

Como se mencionó antes, para el segundo nivel se disminuyó la carga máxima hasta P_max= 28,5 kN, por lo que la tensión máxima es igual a 178,1 MPa. La tabla 4 muestra los valores de los parámetros del ciclo de carga y el número de ciclos de carga a las que fueron sometidas las diferentes probetas a este nivel. Según se aprecia en la figura 3 solo se ensayaron 4 probetas en el segundo nivel de carga. Para decidir esta cantidad de ensayos se consideró que las probetas fallaron a una gran cantidad de ciclos (superiores a los 1 500 000), incluso algunas no fallaron y por lo tanto se plantean los valores de tensiones y cargas a este nivel para caracterizar al límite de resistencia a la fatiga de la unión ensayada.

Es necesario entonces determinar los valores intermedios para la construcción de la curva S-N.

El tercer nivel de carga se realizó con una carga máxima P_max= 31,5 kN que provocó una tensión máxima σ_max = 196,9 MPa. Para el cuarto nivel de carga los parámetros P_max y σ_max son iguales a 30,5 kN y 190,6 MPa respectivamente.

Con los ensayos realizados a la unión soldada se construyó una curva S-N. La expresión que relaciona las tensiones y el número de ciclos es logN =11,775716240 - 0,031058404 x S_max  que fue ajustada según un modelo lineal de acuerdo al procedimiento que se describe en la bibliografía [7].

A continuación se muestra en la figura 4 la curva S-N de la unión soldada ensayada en este trabajo. La curva se obtuvo a partir de los datos experimentales procesados según [11] como se ha descrito en este trabajo. La primera parte de la curva que ha sido ajustada mediante un modelo lineal muestra la ecuación de ajuste de la misma, mientras que el punto de corte se encuentra para un valor de tensión igual a 178 MPa y 2 039 093 ciclos.

Análisis fractográfico

Es de destacar que la forma de todas las roturas es similar. La grieta siempre se inicia en un defecto, que puede ser propio del material, de los procesos de mecanizado para la fabricación de las probetas y los más importantes en este aspecto, los de la soldadura, pues fueron los que más influyeron en las fallas.

De forma general las grietas siempre se inician en el defecto y comienzan a desarrollarse con un frente de grieta semielíptico. La zona de rotura frágil, que ocurre producto a la sobrecarga estática de la probeta muestra una extricción propia de la rotura de elementos sometidos a tracción. Solo se muestran las observaciones de las probetas 7 y 20.

Probeta 7: La probeta falló al final de la ZAT. La grieta comenzó a desarrollarse en una gota de metal fundido. El punto de inicio está señalado con una flecha roja en la figura 5 a). Se observa la zona de crecimiento de la grieta y bien diferenciada por la textura y por la extricción que ocurre en la zona donde se produce el fallo por sobrecarga estática a tracción.

La zona donde se encuentra el punto de inicio de la grieta, observada mediante SEM se muestra en la figura 5 b). La grieta comienza a crecer a partir de un punto donde había quedado una pequeña gota de metal de aportación, la que al caer en este lugar y solidificarse provocó una discontinuidad geométrica que fue suficiente para generar la grieta de fatiga que se desarrolló luego al ser aplicada las cargas variables en el tiempo.

Probeta 20: La probeta falla en la ZAT. La grieta se origina en el detalle señalado en la figura 6 a) que fue identificado mediante los líquidos penetrantes. A partir de este punto se comenzó a desarrollar la grieta que fue creciendo mediante el conocido frente semielíptico hasta alcanzar el tamaño de grieta que provoca el fallo de la probeta. Las observaciones mediante microscopía óptica y electrónica de barrido están en las figuras 6 b) y c), respectivamente. En ella se aprecia el defecto, que tiene una forma inicial alargada con una longitud de estimada de 0,6923 mm y un ancho aproximado de 0,0385 mm.

De forma general es posible decir que en todas las probetas que se produjo el fallo ante la acción de las cargas cíclicas ocurrió una grieta que se inició en un defecto y fue creciendo con un frente semielíptico hasta que se rompía la probeta ensayada. Se apreciaba claramente la zona donde se desarrollaba la grieta y la zona de rotura frágil, donde tenía lugar una extricción debida a la sobrecarga estática.

Después de realizado el análisis estadístico de los resultados de los ensayos a fatiga de la unión soldada, se procede a la presentación de los mismos, según la norma ASTM E 468 - 90 Standard Practice for Presentation of Constant Amplitude Fatigue Test Results for Metallic Materials [12]. Esta plantea que es necesario mostrar datos como las características del material base, procesos tecnológicos realizados, probetas utilizadas, máquina de ensayos utilizada, condiciones de los experimentos para que se le pueda dar a la información proporcionada la mayor utilidad posible. Estos datos se mencionaron antes.

Los resultados de los diferentes ensayos se muestran en la tabla 4. Según la norma ASTM E 468 - 90 solo es preciso exponer dos parámetros del ciclo en la tabla 4 de los resultados de los ensayos. En la tabla 4 se muestran la amplitud del ciclo S_a y la tensión máxima S_max. Los dos valores de tensión se expresan tanto en el Sistema Internacional de Unidades como en el Sistema Inglés para facilitar la búsqueda de algún valor. También se encuentran el número de ciclos que resistió cada probeta y se realizan observaciones sobre la naturaleza del fallo.

En el caso de las probetas 6, 8 y 14 que fueron ensayadas en el segundo nivel de carga y no fallaron se examinaron mediante líquidos penetrantes después de ser retiradas de la máquina de ensayo a fatiga. Estas no mostraron haber desarrollado grietas superficiales que pudieran ser identificadas mediante esa prueba.

Otros autores también observaron el crecimiento de grietas con un frente semieliptíco a partir de defectos iniciales en la unión. Por ejemplo: Peng realizó ensayos a uniones soldadas a tope con una configuración similar a la utilizada en este trabajo [8], Biek, et al., quienes desarrollaron el estudio del crecimiento de grietas en uniones soldadas solicitadas a flexión [13] y Gaul, et al., que estudiaron la fatiga de uniones soldadas por puntos. [14].

En la probeta 17 se desarrolló una grieta más grande, que presentó coalescencia con una más pequeña. Fue posible observar, como después que las dos grietas se unieron siguieron creciendo con un frente común.

CONCLUSIONES

De acuerdo al ajuste realizado a la ecuación se obtuvo que se puede considerar la tensión máxima de 178,1 MPa; a un punto de corte de 2 039 093 como el límite de resistencia a la fatiga de la unión soldada.

Las grietas de fatiga siempre comenzaron en un defecto. Este defecto, al ser una discontinuidad geométrica se comportaba como un concentrador de tensiones en el que nucleaba la grieta. Luego se desarrollaron siguiendo un frente de grieta semielíptico, que también fue observado por otros autores, hasta que ocurría la rotura, al agotarse la capacidad resistente de la unión por la disminución del área de la sección transversal. En la zona donde tenía lugar la rotura final se apreció una extricción, característica de la rotura por tracción estática, o sea, se aprecia que el fallo final tenía lugar por la sobrecarga estática cuando la grieta crecía y por ende, disminuían las dimensiones transversales de la probeta.

Se demostró que dada la gran dispersión de los resultados en cada nivel de carga, es necesario aumentar la cantidad de probetas a ensayar, con lo que se lograría un mejor ajuste de la curva.

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Recibido: 2 de mayo de 2014.  
Aceptado: 14 de diciembre de 2014.

Pavel-Michel Almaguer-Zaldivar. Universidad de Holguín. Facultad de Ingeniería. Centro de Estudios CAD-CAM. Holguín, Cuba. ]]> Correo electrónico: pavel@facing.uho.edu.cu