Predicción de vida a fatiga de uniones soldadas considerando el valor de las tensiones residuales

Resumen

La soldadura es uno de los procesos más críticos de la industria de fabricación de todo el mundo, debido a que es el tercer método más empleado por detrás del ensamblaje y el mecanizado. Dichos procesos repercuten de forma directa en sectores tan diversos como la máquina herramienta, el transporte (automoción, naval, ferrocarril,…), la energía (nuclear, oil&gas, off-shore,…), construcción, elevación, etc. En la actualidad, para hacer frente a los retos que afrontan dichos sectores, es necesario desarrollar estructuras y productos soldados con dimensionamientos más ajustados, fiables y optimizando la utilización de recursos tanto de materia prima como energéticos y económicos durante todo el ciclo de vida del producto (fabricación, transporte y vida útil de los mismos). En dichas estructuras y componentes, las uniones soldadas son las zonas críticas con respecto a sufrir roturas por fatiga. Uno de los principales problemas de las estructuras soldadas es la generación de tensiones residuales, que perjudican directamente en la vida a fatiga. La correcta estimación del patrón de tensiones residuales es muy compleja y requiere la simulación del proceso de soldadura. Consecuentemente, la mayoría de los enfoques existentes para estimar la vida a fatiga del componente soldado no consideran el valor de las tensiones residuales, siendo la mayor limitación de estos métodos es la falta de precisión. En este contexto, en la presente tesis se ha desarrollado un procedimiento para predecir de forma precisa la vida a fatiga considerando el valor de las tensiones residuales generadas en el proceso de soldadura. Además, el procedimiento desarrollado ha sido validado para diferentes tipos de uniones soldadas multipasada sometidas a un estado de tensiones multiaxial. Han sido tres las principales vías de investigación cometidas: En un primer apartado, se ha desarrollado y validado un procedimiento para predecir las tensiones residuales generadas durante el proceso de soldadura. Inicialmente se ha propuesto un modelo analítico, que se basa en la física de la soldadura MIG por transferencia spray, para obtener los parámetros de entrada para realizar la simulación del proceso de soldadura. El método propuesto presenta la ventaja de que permite determinar los parámetros de entrada para el modelo numérico del proceso de soldadura sin la necesidad de realizar ningún ensayo. Una vez determinado el modelo analítico, se ha desarrollado y validado un modelo numérico para predecir las tensiones residuales generadas durante el proceso de soldadura. Dicho modelo se basa en emplear la velocidad de soldeo (mediante la técnica morir-renacer) y la fuente de calor para cada pasada definidas con el modelo analítico desarrollado anteriormente. Para certificar que el procedimiento propuesto es aplicable a uniones soldadas con diferentes configuraciones, se ha analizado la unión a tope y en T. Los resultados del procedimiento desarrollado han sido validados mediante ensayos experimentales realizados para el campo eléctrico, para el campo térmico y para el campo mecánico. Los resultados obtenidos han demostrado que el modelo desarrollado en esta tesis es una herramienta muy efectiva para para modelar los procesos de soldadura MIG con transferencia spray. Finalmente, se ha desarrollado y validado un procedimiento para predecir la vida a fatiga de los componentes soldados bajo diferentes configuraciones considerando el estado tensional multiaxial, mediante la determinación del plano crítico, y el valor de las tensiones residuales. Las estimaciones teóricas han sido validadas mediante ensayos experimentales de fatiga a diferentes cargas. Para certificar que el procedimiento se puede aplicar para uniones soldadas con diferentes configuraciones, se han analizado la soldadura a tope a 0º y a 45º y la soldadura en T. Los resultados obtenidos, muestran una mayor precisión que los métodos actuales para la estimación de vida a fatiga de las uniones soldadas.