ANÁLISIS DE FATIGA DE JUNTAS SOLDADAS DE ACERO AL CARBONO UTILIZADO EN RECIPIENTES A PRESIÓN

González De León, Marco Martínez, Manuel Pertuz-Comas, Alberto Álvarez, Lourdes Arenas, Miguel

El MSc. Marco González De León es profesor Agregado en el Dpto. de Mecánica de la Universidad Simón Bolívar, teléfono 0212-9064071, fax 0212-9064062, correo electrónico margdleon@usb.ve.

El Dr. Manuel Martínez es Profesor Asociado en la Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Mecánica, Universidad Central de Venezuela, teléfono 0212-6053248, fax 0212-6053156, correo electrónico mjmartínezster@gmail.com.

El Dr. Alberto D. Pertuz-Comas es Profesor Asociado en el Dpto. de Tecnología de Producción, Facultad de Ingeniería, Escuela de Ingeniería Mecánica, misma Universidad, teléfono 0212-6051801, fax 0212- 6053156, correo electrónico alberto.pertuz@ucv.com.

Los Ing. Lourdes Álvarez y Miguel Arenas desempeñan sus actividades en la Facultad de Ingeniería , misma Escuela y misma Universidad, teléfono 0212-6053248/ fax 0212-6053156. respectivamente.

Resumen:

En esta investigación se muestra el comportamiento frente al fenómeno de la fatiga de juntas soldadas de un acero al carbono de alta resistencia, comúnmente utilizado en la construcción de recipientes a presión: SA-516-70. Se realizaron ensayos de fatiga en flexión alternativa para las juntas, que fueron soldadas a tope con un ángulo de 30º, con electrodo AWS E-7018. La magnitud de los esfuerzos a los cuales se realizaron los ensayos representa una fracción del esfuerzo de fluencia (Sy) del material base, obtenido de manera experimental a partir de los ensayos de tracción (75, 80, 85 y 90 % del Sy). Los materiales de las juntas fueron caracterizados por microscopia óptica y sometidos a ensayos de micro-indentación para determinar su dureza. Los resultados revelaron que el cordón de soldadura no presenta efecto sobre la resistencia a la fatiga del conjunto. Adicionalmente, se obtuvo una familia de curvas S-N experimental con valores de resistencia a la fatiga mayores a los valores reportados en la literatura para este acero.

Palabras clave: Fatiga/ Junta soldada/ Recipientes a presión/ Acero SA-516-70

FATIGUE ANALYSIS OF WELDED JOINTS IN CARBON STEEL PLATES FOR PRESSURE VESSELS

Abstract:

In this article, a fatigue analysis of welded joints of SA-516-70, carbon steel widely used for the fabrication of pressure vessels, is presented. Butt-welded joints with a bevel angle of 30 degrees made by using AWS E-7018 electrodes were tested to bending fatigue. The tests were developed to 75, 80, 85 and 90 % of the minimum yield strength, which was obtained from static tensile tests. High-magnification visual examinations and microindentation hardness testing were used to characterize the materials. The results show seam welds did not affect the fatigue resistance of material. Additionally, an experimental S-N family of curves is obtained for SA-516-70, shown values of fatigue resistance greater than theoretical values.

Keywords: Fatigue/ Welded Joint/ Pressure Vessel/ SA-516-70 Carbon Steel

Manuscrito finalizado en Caracas, Venezuela el 2008/12/05, recibido el 2008/01/15, en su forma final (aceptado) el 2008/06/05.

I. INTRODUCCIÓN

El diseño mecánico de recipientes a presión normalmente se basa en la resistencia del material a cargas consideradas estáticas: presión interna o presión externa, peso propio, peso del fluido, viento y sismo. Sin embargo, análisis realizados a este tipo de equipos han evidenciado que algunas de estas cargas pudieran tener un comportamiento cíclico, tales como: cambios en los valores de presión aplicados, cambios de temperatura en el tiempo, restricciones a la expansión o a la contracción para variaciones normales de temperatura, vibraciones, variaciones en cargas de viento, etc [1].

Este comportamiento exige la realización de análisis de esfuerzos, que permitan determinar la resistencia a la fatiga de los componentes sometidos a las cargas externas mencionadas. El fenómeno de la fatiga se caracteriza porque dichos esfuerzos fluctuantes o cíclicos producen la falla del material, en un nivel de esfuerzo generalmente menor al esfuerzo de fluencia, sin presentar deformación aparente [2], generando lo que se define como falla por fatiga. La fractura final por fatiga es acompañada por cambios acumulativos e irreversibles de cierta complejidad, que ocurren a nivel microscópico en la estructura del material en estudio.

El comportamiento del material bajo condiciones de fatiga varía significativamente del comportamiento reflejado por las relaciones normales esfuerzo – deformación. El daño acumulado durante cada ciclo de carga y la generación repetitiva de esfuerzos en regiones localizadas del recipiente, tales como en discontinuidades o en concentradores de esfuerzo, pueden causar el crecimiento de grietas existentes hasta la falla. Es común observar que la resistencia del material de un recipiente se ve disminuida como consecuencia de un inadecuado diseño en esas zonas localizadas [3].

Las juntas soldadas son fuente de problemas debido a discontinuidades (macros y micros), esfuerzos residuales y en algunas ocasiones, desalineaciones entre las partes soldadas [4]. Defectos como las discontinuidades pueden producir grietas por las cuales falla el material, produciéndose su crecimiento a medida que las cargas fluctúan, hasta que el área restante no es capaz de soportar el esfuerzo aplicado, fallando finalmente la pieza [5]. Por esta razón, las juntas soldadas son frecuentemente el punto de ubicación de fallas por fatiga.

La resistencia a la fatiga de una junta soldada es variable y depende del diseño de la junta y de la calidad del trabajo desarrollado; si el diseño de la junta es adecuado y la calidad de la soldadura es alta, se plantea el caso de una junta soldada con resistencia a la fatiga igual o mayor que el material sin soldadura [4].

El objetivo principal de este trabajo es el estudio del comportamiento de juntas soldadas de un acero de alta resistencia, que se usa en la fabricación de recipientes a presión: SA-516-70 frente a la fatiga en flexión por flexión alternativa.

forma de pletinas de 6,35 mm de espesor, 76,2 mm de ancho y 1000 mm de largo.Este artículo se inicia con una justificación del material seleccionado, luego se describe el tipo de soldadura y el material de aporte de la unión soldada. La metodología utilizada fue trabajo experimental, caracterizando los materiales de las juntas mediante Microscopía Óptica y determinando propiedades mecánicas por ensayos de tracción y de micro-indentación. Sobre la base de los resultados de los ensayos a tracción, se establecieron cuatro niveles de esfuerzo para los ensayos a fatiga en flexión a esfuerzo constante. Todo este desarrollo experimental es objeto de un análisis de resultados y posterior discusión, para finalmente ofrecer las conclusiones.

II. DESARROLLO

1. Materiales

1.1. Material Base

Para este estudio se seleccionó como material base, uno de los materiales más utilizados en Venezuela para fabricar cuerpos y cabezales de recipientes a presión soldados: el acero al carbono SA-516-70. La composición química nominal de este material se presenta en la Tabla I. El material fue obtenido en forma de pletinas de 6,35 mm de espesor, 76,2 mm de ancho y 1000 mm de largo.

1.2 Material de Aporte

Se utilizaron electrodos de revestimiento básico con alto contenido de hierro en polvo AWS E 7018, cuya composición química se presenta en la Tabla II. Estos electrodos son típicos en la fabricación de recipientes a presión cuando se usa SA- 516-70 en cuerpo y cabezales.

 

1.3 Proceso de Soldadura

Las pletinas del Acero SA-516-70 fueron maquinadas y luego biseladas a un ángulo de 30º, con 2 mm de talón y una separación de raíz de 3 mm. Se realizó una junta doble a tope con bisel, tipo Nº 1, de acuerdo a tabla UW-12 del Código ASME Sección VIII División 1 [9]. El proceso de soldadura efectuado fue por Arco Manual (SMAW), en una posición horizontal plana desde arriba, esto es 1G, de acuerdo a Aparte QW-121-1 de la Sección IX del Código ASME [10]. La junta soldada se realizó con los parámetros indicados en la Tabla III.

Cada pase realizado para completar el proceso de soldadura fue hecho utilizando la técnica Recta y Oscilante. Posterior a cada uno de estos pases se ejecuta una operación de limpieza, primero con esmeril y luego con cepillo. Así mismo, la remoción del pase de raíz fue realizada mediante el uso del esmeril y no se realizó el precalentamiento de la pieza para soldar.

2. Metodología

2.1 General

Se prepararon probetas para la caracterización de los materiales (base y aporte) por Microscopía Óptica, y para los ensayos a tracción, micro-indentación y ensayos de fatiga a flexión.

2.2 Caracterización por Microscopía Óptica

Para la caracterización del material base y de la junta soldada por Microscopía Óptica se utilizaron especímenes cortados en la sección de interés, que fueron sometidos a un proceso de desbaste con papel de lija de granulometría desde 100 hasta 1200 μm. Luego de esto, se procedió al lavado y secado de las muestras, realizando una evaluación visual de la superficie, para posteriormente continuar con el proceso de pulido. En esta etapa se utilizó un paño tipo lona con una solución de alúmina con un tamaño de partícula de 0,3 μm, siguiéndole a este tamaño, una de 0,1 μm. Finalmente, y para alcanzar la condición de pulido especular, las muestras se sometieron a un proceso de pulido con un paño tipo lona de billar, impregnado con una solución de pasta de diamante. Una vez alcanzada la condición especular en la superficie de la muestra, se procedió a la aplicación de un ataque químico selectivo, para revelar su micro-estructura. Dicho proceso se realizó mediante la inmersión de la probeta en Nitral al 3%, durante 5 s, para finalmente tomar las micrografías utilizando un microscopio óptico marca Olympus.

2.3 Ensayos a Tracción

Para dimensionar las probetas a ser utilizadas en el ensayo de tracción, se tomó en cuenta lo especificado en la norma ASTM-A370 [11] y la Norma PDVSA para Ensayo de Tracción para Materiales Metálicos [12]. Dichas dimensiones pueden ser observadas en la Figura 1.

El ensayo de tracción fue realizado a tres probetas diseñadas de acuerdo a la norma establecida, en una Máquina Universal de Ensayos Mecánicos Servo Hidráulica, marca INSTRON, modelo 8502.

3.4 Ensayos de Fatiga a Flexión

El diseño inicial de las probetas para los ensayos de flexión alternativa a fatiga corresponde al descrito en el manual de la máquina a ser utilizada. La principal característica que deben presentar dichas probetas es que el esfuerzo generado sobre ellas debe permanecer constante a lo largo de toda la sección de ensayo, esto nos permite ensayar en igualdad de condiciones el cordón de soldadura, la zona afectada y el metal base.

Basándose en la ecuación de esfuerzos normales σ debido a cargas transversales de la Mecánica de Materiales
13
, se diseña la sección no prismática de la probeta (Figura 2). En esta sección se define Wo como el ancho máximo de la probeta, L como la longitud total medida desde Wo hasta el vértice y x la distancia desde dicho vértice hasta la fibra en estudio, representando W el ancho del triángulo en el punto x.

Definiendo una correlación lineal entre el incremento de x y el valor de W, se puede establecer la siguiente relación:

Sustituyendo en la ecuación de esfuerzos por flexión, y recordando que el momento flector se define como la carga aplicada P por la distancia de aplicación (brazo) x, y el momento de inercia de la sección transversal de la probeta de espesor t constante, se obtiene:

Ajustando el valor del ancho máximo (Wo) a 50 mm (restricciones impuestas por la máquina), se pueden obtener las dimensiones de la probeta final, que se muestran en la Figura 3.

Con la finalidad de verificar la frecuencia de trabajo de la máquina para una medida dada en la perilla de control de velocidad, se utilizó un tacómetro marca Extech Instruments, modelo 461895, que permite la medición de las revoluciones por contacto directo a través de un anillo de velocidad. Para la realización de los ensayos de fatiga se utilizó una máquina de fatiga universal modelo LFE-300, de la empresa Fatigue Dynamics, Inc., cuyo manual [14] fue la base de estos ensayos.

Las probetas se sometieron a esfuerzos de flexión determinados por la ecuación:

donde b es el ancho de la probeta.

A efectos de aplicar dicho esfuerzo, se calcula la deflexión a la que deben ser sometidas las probetas por parte de la máquina. El cálculo de la deflexión es realizado mediante la aplicación de la siguiente expresión:

donde E es el módulo de Young del material.

Es conveniente mencionar que todas las probetas ensayadas están compuestas por tres zonas: metal base, zona afectada por el calor y metal de aporte (electrodo) [4].

Los resultados a ser obtenidos de los ensayos a fatiga son el número de ciclos al cual falla cada probeta probada a un valor de esfuerzo determinado; estos resultados son ajustados mediante la ecuación propuesta por Basquin [15]: (5) donde N es el número de ciclos para falla, y A y b son los coeficientes que se obtienen del ajuste de los datos experimentales.

2.5 Ensayos de Micro-indentación

Para realizar los ensayos de micro-indentación se utilizaron probetas rectangulares obtenidas mediante el corte en la sección de interés de una sección de la junta.

Los cortes fueron realizados utilizando una máquina cortadora dispuesta con disco de diamante; luego las probetas fueron sometidas a procesos de desbaste y pulido con el objeto de disponer de superficies aptas para ensayos de indentación estática. Las pruebas de indentación fueron realizadas en el plano transversal de las secciones cortadas, para obtener los datos necesarios en todas las zonas generadas durante el proceso de soldadura. Las probetas fueron ensayadas a una carga normal constante, con el fin de obtener información comparativa de la dureza del material base, la dureza de la zona afectada por el calor y por último, la dureza del cordón de soldadura.

Para ello se utilizó un Microdurómetro Leco modelo M400H, con un penetrador Vickers (pirámide de diamante de base cuadrada) de carga constante 300 gramos. Las diferentes indentaciones fueron realizadas de manera lineal y a lo largo de la probeta, dejando una distancia de 1250 μm entre cada huella.

3. Resultados

3.1 Caracterización de la Micro-estructura

Se realizó el estudio de las micro-estructuras del material base, de la zona afectada y del cordón de soldadura; todo ello con la finalidad de revelar el tamaño promedio de los granos, algunos aspectos de forma y distribución de los micro-constituyentes, que permitan determinar de manera más explicita las condiciones del material en estudio. La evaluación fue efectuada en un plano transversal o perpendicular a la dirección de laminación del material.

En la Figura 4 se identificaron las zonas evaluadas de cada probeta: sección A, zona afectada y cordón de soldadura y sección B, material base.

La Figura 5 representa la micro-estructura del material base (zona B). Las imágenes revelan estructuras perlíticas (zonas grises) inmersas en otra estructura de color más claro que constituyen las redes ferríticas. Se aprecia claramente que tanto la micro-estructura como el tamaño de grano son bastante homogéneos. No se aprecia una zona preferencial de dirección de laminación, como suele observarse en este tipo de micro-estructuras.

En la Figura 6 se muestra la foto-micrografía realizada sobre la zona A, que representa el cordón de soldadura aplicado al material base. Se aprecia la sección transversal del cordón, y se pueden ver claramente las diferencias en las formas de las estructuras con respecto al material base (ver Figura 5), debido a que son materiales diferentes. Se observa en esta foto-micrografía, una estructura mucho más refinada y con láminas de posible bainita fina (fase oscura) en una matriz de ferrita dispersa (fase clara); dicha estructura es claramente representativa de un material más duro que el substrato.

3.2 Ensayos de Micro-indentación Estática.

Los resultados obtenidos durante el ensayo de microindentación, tanto del material base como del conjunto material base-cordón de soldadura, son representados en la Figura 7, con la finalidad de apreciar la existencia de cambios en las propiedades mecánicas del material producidos por la aplicación del proceso de soldadura.

En esta figura de valores de dureza se observa un aumento de las propiedades mecánicas, tanto para el material presente en el cordón de soldadura como en la zona afectada por el calor, al ser comparadas con las propiedades del material base. También se puede observar un aumento acentuado en la zona afectada por el calor, con relación a las otras zonas, lo cual confirma que efectivamente esa región está siempre sometida a tratamientos térmicos que afectan su estructura y generan cambios sustanciales en las propiedades mecánicas.

3.3 Ensayos de Tracción Uniaxial

Los resultados obtenidos durante el ensayo de tracción uniaxial para el acero SA-516-70 son presentados en la Tabla IV. Es importante destacar que los datos reflejados en la tabla son los correspondientes a los valores de Esfuerzo Real y Deformación Real, obtenidos mediante la corrección de los datos carga-alargamiento arrojados por la máquina de ensayos.

3.3 Ensayos de Fatiga a Flexión

Para este trabajo se realizaron ensayos de fatiga a flexión alternativa con esfuerzo mínimo igual a cero, para cuatro (4) valores de esfuerzo máximo (R=0), establecidos sobres la base de diferentes porcentajes (75, 80, 85 y 90 %) de la resistencia a la fluencia calculada mediante la realización de los ensayos a tracción de probetas del material base. Por cada nivel de esfuerzo se ensayaron a la fatiga en principio sólo tres (3) probetas, con la finalidad de observar en qué región de la muestra (metal base, cordón o zona afectada) sucedería su fractura.

En la Tabla V se presentan los resultados de ciclos de vida de las doce (12) probetas ensayadas, así como el valor promedio y la desviación estándar del número de ciclos de vida por nivel de esfuerzo establecido.

Una vez analizado el conjunto de los ensayos realizados, se pudo constatar que todas las fracturas se sucedían por el metal base, por tanto se consideró que tres ensayos por nivel de esfuerzo permitirían realizar un estudio bastante aceptable del fenómeno.

En la Figura 8 se presentan los resultados de los ensayos a fatiga en una gráfica Esfuerzo (S) versus Número de Ciclos (N). Debido al tamaño de la muestra, para generar una familia de curvas S-N de estos resultados, se utilizó el Método Estándar [16], el cual señala que la curva obtenida de los promedios de N para cada nivel de esfuerzo, representan un buen estimado de una probabilidad de supervivencia del 50% para las probetas a ser ensayadas. De igual forma, este método permite completar la familia de curvas S-N, que incluyan la probabilidad de supervivencia de las probetas, utilizando los valores de la desviación estándar para cada valor de esfuerzo, indicados en la Tabla V. Esta familia de curvas fue ajustada usando la ecuación propuesta por Basquin [15]

En la Tabla VI, se presentan los valores de A y b, y los coeficientes de correlación del ajuste (R2), cuyos valores muy cercanos a 1, indican que las ecuaciones de Basquin obtenidas representan un buen estimado de los datos experimentales.

4. Análisis de Resultados

El hecho de que todas las probetas evaluadas a fatiga fallaran a nivel del substrato, indica que el tipo de junta y el proceso de soldadura utilizados permitieron obtener en cada caso, una junta soldada de mejores propiedades mecánicas a la fatiga que el material base.

Este comportamiento es corroborado a través del análisis de las micro-estructuras realizadas, ya que se presentan estructuras más finas y desordenadas a medida que se acerca al cordón de soldadura, lo que implica un aumento de las propiedades mecánicas en dicha región, a pesar de poseer estructuras más puntiagudas que propician la aparición de micro grietas por las solicitaciones dinámicas.

Los estudios de micro-indentación también ayudan a soportar lo anteriormente dicho, ya que se observa un incremento (ver Figura 7) en los niveles de dureza cuando se realiza el estudio de la zona afectada por el calor, y unos niveles considerablemente más bajos, para el material base.

En la Figura 9 se muestra un diagrama S-N, donde se compara la curva teórica del material base SA-516-70 a R = -1 (Steórico = 1095,0 N-0,1220), con la curva promedio producto de los ensayos realizados a este material a R = 0 (Sreal = 4098,4 N-0,1632). En dicha figura se observa una marcada diferencia en cuanto al número de ciclos de falla para un mismo nivel de esfuerzo. Sin embargo, los exponentes de ambas curvas presentan valores similares, que indican un comportamiento paralelo.

Una relación entre esfuerzos máximos y mínimos R igual a 0 debería generar una disminución de la resistencia a la fatiga con respecto a un R = -1 [17]; sin embargo, los resultados obtenidos son contrarios a este esquema. Tratando de explicar este comportamiento se encuentra que el material ensayado tiene mejores propiedades mecánicas que las reportadas en la literatura, lo cual puede ser atribuido a la presencia de una estructura uniforme, que no deja ver una influencia marcada de la orientación del grano a lo largo de la zona de laminación.

Una relación entre esfuerzos máximos y mínimos R igual a 0 debería generar una disminución de la resistencia a la fatiga con respecto a un R = -1 [17]; sin embargo, los resultados obtenidos son contrarios a este esquema. Tratando de explicar este comportamiento se encuentra que el material ensayado tiene mejores propiedades mecánicas que las reportadas en la literatura, lo cual puede ser atribuido a la presencia de una estructura uniforme, que no deja ver una influencia marcada de la orientación del grano a lo largo de la zona de laminación.

III. CONCLUSIONES

1. En todos los ensayos, las probetas evaluadas fallan a nivel del metal base, por lo que se concluye que la presencia del cordón de soldadura no marcó influencia alguna sobre la resistencia a la fatiga de las probetas. Este comportamiento es sustentado por los estudios de las micro – estructuras y de micro-indentación.

2. En todos los ensayos, las probetas evaluadas fallan a nivel del metal base.

3. La presencia del cordón de soldadura no marcó influencia alguna sobre la resistencia a la fatiga de las probetas.

 4. El comportamiento a fatiga de estas juntas soldadas indica una marcada diferencia en cuanto al número de ciclos de falla para un mismo nivel de esfuerzo.

5. El paralelismo que presentan las curvas es un resultado esperado que confirma las apreciaciones anteriores sobre las fallas en el material base.

Agradecimientos

Los autores quieren expresar su agradecimiento al Laboratorio de Ensayos Mecánicos de la Escuela de Ingeniería Metalúrgica y Ciencia de los Materiales de la Facultad de Ingeniería de la Universidad Central de Venezuela por el préstamo de los equipos utilizados en este trabajo; y al Proyecto N°: PG 08-00-5673-2004 “Estudio numérico y experimental de defectos y grietas en elementos de máquinas”, financiado por el Consejo de Desarrollo Científico y Humanístico de la UCV (CDCH). De igual manera, se expresa el agradecimiento a la empresa TRIMECA (Trabajos Industriales y Mecánicos, CA) ubicada en Valencia, estado Carabobo, por proveer el material y la fabricación de las juntas soldadas.

 IV. REFERENCIAS

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