Las causas de falla por fatiga de estructuras soldadas incluyen principalmente los siguientes aspectos:
① ¿Objetivamente hablando, la capacidad de carga estática de las uniones soldadas es generalmente? no menos que el material base; pero bajo la acción de cargas variables alternas, su capacidad de carga es mucho menor que la del material base y está estrechamente relacionada con el tipo de junta soldada y la forma de la estructura de soldadura. Este es un factor importante que conduce al fallo prematuro de algunas estructuras debido a la fatiga de las uniones soldadas.
②? El diseño inicial de estructuras soldadas se basó principalmente en el diseño de resistencia a cargas estáticas, sin considerar el diseño de fatiga, o las especificaciones de diseño de fatiga de las estructuras soldadas eran imperfectas, lo que resultó en muchas uniones soldadas con diseños irrazonables.
③?Los diseñadores y técnicos de ingeniería no tienen una comprensión suficiente de las características de resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas, y las estructuras soldadas diseñadas a menudo copian los criterios de diseño de fatiga y las formas estructurales de otras estructuras metálicas;
④ ?Las estructuras soldadas se están generalizando cada vez más. En el proceso de diseño y fabricación, la gente persigue ciegamente el bajo costo y la ligereza de la estructura, lo que resulta en una creciente carga de diseño de las estructuras soldadas. ?
⑤? Las estructuras soldadas tienden a desarrollarse en la dirección de alta velocidad y carga pesada, y los requisitos para la capacidad de carga dinámica de las estructuras soldadas son cada vez mayores. Sin embargo, el nivel de investigación científica. en cuanto a la resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas está relativamente rezagado.
2 Principales factores que afectan a la resistencia a la fatiga de estructuras soldadas
2.1 La influencia de la resistencia a la carga estática en la resistencia a la fatiga de estructuras soldadas
En la investigación del acero materiales, personas siempre Se espera que el material tenga una mayor resistencia específica, es decir, que pueda soportar un mayor peso de carga con un peso más liviano, porque una estructura del mismo peso puede tener una gran capacidad de carga o la misma; La capacidad de carga puede reducir su propio peso. Por lo tanto, el acero de alta resistencia surgió a medida que los tiempos lo requerían, y también tiene una alta resistencia a la fatiga. La resistencia a la fatiga del metal base siempre aumenta con el aumento de la resistencia a la carga estática.
Pero para las estructuras soldadas, la situación es diferente, porque la resistencia a la fatiga de la unión soldada está estrechamente relacionada con la resistencia estática del metal base, la resistencia estática del metal de soldadura, las propiedades organizativas del zona afectada por el calor y el metal de soldadura hay poca coincidencia de resistencia, es decir, siempre que los detalles de las uniones soldadas sean los mismos, las resistencias a la fatiga del acero de alta resistencia y del acero con bajo contenido de carbono son las mismas y. tienen la misma curva S-N, que es adecuada para juntas a tope, juntas de esquina, vigas soldadas, etc. tipo conector. Maddox estudió el crecimiento de grietas por fatiga del acero al carbono-manganeso con límites de fluencia entre 386-636MPa y 636MPa, así como el metal de soldadura y la zona afectada por el calor de seis tipos de electrodos. Los resultados muestran que las propiedades mecánicas del material tienen un cierto impacto en la tasa de crecimiento de las grietas, pero el impacto no es significativo. Al diseñar estructuras soldadas sometidas a cargas alternas, no tiene sentido intentar satisfacer las necesidades de ingeniería seleccionando grados de acero de mayor resistencia. El acero de alta resistencia debe usarse como metal base de uniones soldadas solo cuando la relación de tensión es superior a +0,5 y las condiciones de resistencia estática desempeñan un papel importante.
La razón de los resultados anteriores es que hay un defecto de cuña de escoria similar a un corte a lo largo de la línea de fusión en el extremo de la soldadura de la junta. El espesor es de 0,075 mm a 0,5 mm y el radio de la punta es. menos de 0,015 mm El defecto agudo es el comienzo de la grieta por fatiga, que es equivalente a la etapa de formación de la grieta por fatiga, por lo que la vida por fatiga de la junta bajo una cierta amplitud de tensión está determinada principalmente por la etapa de expansión de la grieta por fatiga. La aparición de estos defectos hace que la resistencia a la fatiga de todas las uniones soldadas del mismo tipo de acero sea la misma y tiene poca relación con la resistencia estática del metal base y los materiales de soldadura.
2.2 Concentración de tensiones en la resistencia a la fatiga
2.2.1 Influencia del tipo de conector
Las principales formas de uniones soldadas son juntas a tope, juntas transversales y juntas en T. Juntas y juntas traslapadas, debido a que se altera la línea de transmisión de fuerza, se producirá concentración de tensión en la junta.
La interferencia de la línea de fuerza de las juntas a tope es pequeña, por lo que el coeficiente de concentración de tensión es pequeño y su resistencia a la fatiga será mayor que la de otras formas de juntas. Sin embargo, las pruebas han demostrado que la resistencia a la fatiga de las juntas a tope varía ampliamente debido a una serie de factores que afectan el rendimiento a la fatiga de las juntas a tope. Lo afectarán el tamaño de la muestra, la forma de la ranura, el método de soldadura, el tipo de electrodo, la posición de soldadura, la forma de la soldadura, el tratamiento de soldadura posterior a la soldadura, el tratamiento térmico posterior a la soldadura, etc. Debido a la importante concentración de tensiones en la placa de soporte, se reduce la resistencia a la fatiga de la junta a tope permanente de la placa de soporte. Las grietas por fatiga de este tipo de unión ocurren en la conexión entre la soldadura y la placa de respaldo, no en el pie de la soldadura. Su resistencia a la fatiga es generalmente equivalente a la unión a tope con la peor forma sin placa de respaldo.
Las juntas transversales o juntas en T se han utilizado ampliamente en estructuras soldadas.
En este tipo de junta que soporta presión, debido al cambio obvio de la sección transversal en la transición entre la soldadura y el metal base, el coeficiente de concentración de tensión es mayor que el de la junta a tope, por lo que la resistencia a la fatiga de la junta transversal o La junta en forma de T es más baja que la de la junta a tope. Para juntas sin soldaduras de filete ranuradas y juntas ranuradas con soldaduras de penetración parcial, cuando la soldadura transfiere la tensión de trabajo, su fractura por fatiga puede ocurrir en dos eslabones débiles, a saber, la conexión entre el metal base y el borde de la soldadura o la soldadura. Para uniones transversales con penetración de ranura, la fractura generalmente ocurre solo en el borde de la soldadura y no en la costura de soldadura. La resistencia a la fatiga de las juntas en T y las juntas transversales donde la soldadura no soporta esfuerzos de trabajo depende principalmente de la concentración de tensiones en la conexión entre la soldadura y la placa principal que soporta presión. La resistencia a la fatiga de las juntas en T es mayor, mientras que la resistencia a la fatiga de las juntas transversales es menor. La medida fundamental para mejorar la resistencia a la fatiga de las juntas en T o transversales es soldar ranuras y procesar la transición de soldadura para que quede suave. Mediante esta medida de mejora, se puede mejorar enormemente la resistencia a la fatiga.
La resistencia a la fatiga de las juntas solapadas es muy baja, lo que se debe a una grave distorsión de las líneas de fuerza. Es extremadamente irrazonable utilizar las llamadas placas de cubierta "reforzadas" para el acoplamiento. Debido a la mayor concentración de tensiones, la resistencia a la fatiga originalmente alta de la junta a tope se debilita considerablemente después del uso de la placa de cubierta. En el caso de juntas de tapa que soportan carga, pueden producirse grietas por fatiga en el metal base o en la soldadura. Además, cambiar el ancho de la cubierta o la longitud de la soldadura también cambiará la distribución de tensiones en el metal base, afectando así la resistencia a la fatiga de la unión, es decir, la relación entre la longitud de la soldadura y el ancho. Cuanto mayor sea el espesor de la cubierta, mayor será la resistencia a la fatiga de la unión, esto se debe a que la distribución de tensiones en el material base tiende a ser uniforme.
La influencia de la forma de la soldadura
No importa cuál sea la forma de la unión, está conectada a través de dos tipos de soldadura: soldadura a tope y soldadura en ángulo. Diferentes formas de soldadura tienen diferentes coeficientes de concentración de tensión, por lo que la resistencia a la fatiga tiene una gran dispersión.
La forma de la soldadura a tope tiene el mayor impacto en la resistencia a la fatiga de la unión. ?
? Efecto del ángulo de transición (1) Yamaguchi et al. establecieron la relación entre la resistencia a la fatiga y el ángulo de transición (ángulo obtuso exterior) entre el metal base y el metal de soldadura. W (ancho de soldadura) y H (altura) cambian durante la prueba, pero la relación h/W permanece sin cambios. Esto significa que el ángulo incluido sigue siendo el mismo y los resultados de las pruebas muestran que la resistencia a la fatiga también sigue siendo la misma. Sin embargo, si W permanece sin cambios y el parámetro H cambia, se encuentra que la resistencia a la fatiga de la unión disminuye con el aumento de H, lo que obviamente es el resultado de la disminución del ángulo externo.
? (2) ¿Cuál es la influencia del radio de transición de la soldadura? Los resultados de la investigación de Sander et al. muestran que el radio de transición de la soldadura también tiene un impacto importante en la resistencia a la fatiga de la unión, es decir, a medida que aumenta el radio de transición (el ángulo de transición permanece sin cambios), aumenta la resistencia a la fatiga.
La forma de la soldadura en ángulo también tiene una gran influencia en la resistencia a la fatiga de la unión.
Al calcular la relación entre el espesor A y el espesor de soldadura simple B, A/B, generalmente se rompe en el metal base. Sin embargo, aumentar el tamaño de la soldadura sólo es eficaz para mejorar la resistencia a la fatiga dentro de un cierto rango. Debido a que el aumento en el tamaño de la soldadura no puede cambiar la resistencia del metal base en el extremo de la soldadura de otra sección débil, en el mejor de los casos no puede exceder la resistencia a la fatiga. Soete, Van Crombrugge utilizó placas de acero de 15 mm de espesor soldadas con diferentes soldaduras en ángulo. Bajo carga de fatiga axial, se encontró que cuando el tramo de soldadura era de 13 mm, la fractura se producía en el metal base o en la soldadura en el pie de la soldadura. Cuando el tramo de soldadura es menor que este valor, se produce una fractura por fatiga en la soldadura; cuando el tamaño del tramo de soldadura es de 18 mm, la fractura se produce en el metal base. En base a esto, propusieron el tamaño límite de la pata de soldadura: S=0,85B, donde S es el tamaño de la pata de soldadura y b es el espesor de la placa. Se puede ver que incluso si el tamaño de la pata de soldadura alcanza el espesor de la placa (15 mm), aún se pueden obtener los resultados de fractura de la costura de soldadura, lo que concuerda con los resultados teóricos.
El impacto de los defectos de soldadura
Existe una gran cantidad de diferentes tipos de defectos en la punta de la soldadura, que provocan fisuras tempranas por fatiga y una fuerte disminución de la resistencia a la fatiga de la base. metal (hasta 80%). En general, los defectos de soldadura se pueden dividir en dos tipos: defectos superficiales (como grietas, falta de fusión, etc.) y defectos de volumen (como poros e inclusiones de escoria, etc.), y su grado de influencia es irrelevante. Al mismo tiempo, el impacto de los defectos de soldadura en la resistencia a la fatiga de la unión está relacionado con el tipo, dirección y ubicación de los defectos.
1) ?Grieta? Las grietas en la soldadura, como las grietas en frío y las grietas en caliente, son fuentes graves de concentración de tensiones, además de estructuras frágiles, que pueden reducir en gran medida la resistencia a la fatiga de la estructura o unión.
Estudios anteriores han demostrado que en condiciones de carga alternas, cuando hay grietas con una longitud de 25 mm y una profundidad de 5,2 mm en la soldadura (representan aproximadamente el 10% del área de la sección transversal de la muestra), el ancho es de 60 mm y el espesor es de 12,7 mm. La resistencia a la fatiga de las muestras de juntas a tope de acero con bajo contenido de carbono se reduce entre un 55% y un 65%.
2) ?Penetración incompleta? Cabe señalar que la falta de penetración no se considera necesariamente un defecto, porque a veces se requiere artificialmente que algunas juntas tengan penetración circunferencial. Un ejemplo típico es el diseño de algunas boquillas de recipientes a presión. Los defectos de penetración incompleta son a veces defectos superficiales (soldadura por un solo lado), a veces defectos internos (soldadura por ambos lados) y pueden ser de naturaleza local o global. Su principal efecto es debilitar el área de la sección transversal y provocar concentraciones de tensiones. En comparación con los resultados de las pruebas sin este defecto, la resistencia a la fatiga con un área debilitada del 10% en la vida útil se reduce en un 25%, lo que significa que su impacto no es tan grave como el impacto de las grietas.
3) ?¿Aún no es popular? Debido a la dificultad en la preparación de muestras, hasta ahora las investigaciones relevantes han sido extremadamente raras. Pero no hay duda de que la falta de fusión es un defecto plano y no puede ignorarse. Generalmente se trata como falta de fusión.
4) ?Los principales parámetros que caracterizan el socavado son la longitud del socavado L, la profundidad del socavado H y el ancho del socavado W. El principal parámetro que afecta la resistencia a la fatiga es la profundidad del socavado H. Actualmente, la profundidad H se puede utilizar O la relación profundidad-espesor (h/B) se utiliza como parámetro para evaluar la resistencia a la fatiga de las juntas.
5) ?Estomas? Para la pérdida de volumen, el análisis de Harrison resumió los resultados experimentales anteriores. La reducción de la resistencia a la fatiga se debe principalmente a la reducción del área de la sección transversal de los poros, y existe una cierta relación lineal entre ambas. Sin embargo, algunos estudios han demostrado que cuando la superficie de la muestra se procesa mediante métodos de procesamiento mecánico, los efectos adversos de los poros aumentarán cuando los poros estén en la superficie o directamente debajo de la superficie, y actuarán como una fuente de tensión. concentración y convertirse en el punto de partida de las grietas por fatiga. Esto indica que la ubicación de los poros tiene un mayor impacto en la resistencia a la fatiga de la unión que su tamaño, siendo los poros superficiales o subsuperficiales los que tienen el efecto más perjudicial.
6) ?Inclusión de escoria? El correspondiente informe de investigación del IIW señala que la inclusión de escoria, como defecto de volumen, tiene un mayor impacto en la resistencia a la fatiga de las juntas que los poros. ?
Como se puede ver en la introducción anterior, el impacto de los defectos de soldadura en la resistencia a la fatiga de la unión no solo está relacionado con el tamaño del defecto, sino que también depende de muchos otros factores, como los defectos superficiales que tienen un mayor impacto que los defectos internos, perpendicular a la fuerza Los defectos superficiales en una dirección tienen un mayor impacto que otras direcciones los defectos en el área de tensión residual de tracción tienen un mayor impacto que los defectos en el área de tensión residual de compresión los defectos ubicados en las áreas de concentración de tensión (; como grietas en las puntas de soldadura) tienen un impacto mayor que los mismos defectos en un campo de tensión uniforme.
2.3 Efecto de la tensión residual de soldadura sobre la resistencia a la fatiga
La tensión residual de soldadura es una característica única de las estructuras soldadas, por lo que su efecto sobre la resistencia a la fatiga de las estructuras soldadas es un tema que ha recibido amplia atención. atención, se ha llevado a cabo una gran cantidad de trabajos de investigación experimental con este propósito. En las pruebas, las muestras con tensión residual de soldadura a menudo se comparan con muestras después del tratamiento térmico para eliminar la tensión residual. Dado que la generación de tensión residual de soldadura suele ir acompañada de cambios en las propiedades del material causados por los ciclos térmicos de soldadura, el tratamiento térmico no sólo puede eliminar la tensión residual, sino también restaurar o restaurar parcialmente las propiedades del material. Al mismo tiempo, debido a la dispersión de los resultados de las pruebas, existen diferentes interpretaciones de los resultados de las pruebas y también diferentes evaluaciones del impacto de la tensión residual de la soldadura.
Este problema se puede explicar claramente tomando como ejemplo los trabajos de investigación tempranos y recientes de algunas personas. En cuanto a los resultados de la prueba de ciclos 2×106 de uniones a tope ultra altas, diferentes investigadores han llegado a conclusiones diferentes. Se encontró que la resistencia a la fatiga de la muestra tratada térmicamente y con alivio de tensiones era 65438 ± 02,5% mayor que la de la muestra en el mismo estado soldado. Otros encontraron que la resistencia a la fatiga de las muestras soldadas y tratadas térmicamente era la misma; , es decir, no hubo mucha diferencia; pero también se encontró que la tensión residual se eliminó mediante tratamiento térmico. Se mejoró la resistencia posfatiga, pero el valor agregado es muy inferior al 12,5% y así sucesivamente. Lo mismo ocurre con los resultados de las pruebas de muestras a tope con superficie pulida. Es decir, algunas pruebas creen que la resistencia a la fatiga se puede aumentar en un 17% después del tratamiento térmico, pero algunos resultados de las pruebas muestran que la resistencia a la fatiga no aumenta después del tratamiento térmico. . Este problema ha sido problemático durante mucho tiempo. No fue hasta que algunos académicos de la ex Unión Soviética realizaron una serie de experimentos bajo cargas alternas que gradualmente aclararon el problema.
La más notable es la investigación de Trufyakov sobre la influencia de la tensión residual de la soldadura en la resistencia a la fatiga de la unión bajo diferentes características del ciclo de tensión. La prueba utiliza acero estructural ordinario de baja aleación 14Mn2. Hay una soldadura a tope transversal en la muestra y una soldadura longitudinal en cada lado de la muestra.
Un grupo de muestras fue tratado térmicamente para eliminar la tensión residual posterior a la soldadura y el otro grupo no fue tratado térmicamente. La prueba de comparación de resistencia a la fatiga utiliza tres coeficientes característicos del ciclo de tensión r = -1, 0 y +0,3. ? Bajo carga alterna (r = -1), la resistencia a la fatiga de la muestra sin tensión residual eliminada es cercana a 130 MPa, mientras que la resistencia a la fatiga de la muestra sin eliminación de tensión residual es de solo 75 MPa. Bajo carga pulsante (r=0), las resistencias a la fatiga de los dos grupos son las mismas, ambos 185 MPa. Sin embargo, cuando r = 0,3, la resistencia a la fatiga de la muestra con tensión residual eliminada mediante tratamiento térmico es de 260 MPa, que es ligeramente inferior a la de la muestra sin tratamiento térmico (270 MPa). La razón principal de este fenómeno es: cuando el valor R es alto, como bajo carga pulsante (r=0), la resistencia a la fatiga es mayor. Bajo la acción de una tensión de tracción alta, la tensión residual se libera más rápido, por lo que la tensión residual. la tensión tiene un mayor impacto sobre la fatiga. La influencia de la fuerza se debilita; cuando r aumenta a 0,3, la tensión residual bajo carga se reduce aún más y en realidad no tiene ningún efecto sobre la resistencia a la fatiga. Sin embargo, el tratamiento térmico no sólo elimina la tensión residual sino que también ablanda el material, por lo que la resistencia a la fatiga disminuye después del tratamiento térmico. Esta prueba explica bien los efectos de la tensión residual y los cambios de material causados por los ciclos térmicos de soldadura sobre la resistencia a la fatiga. También se puede ver que la influencia de la tensión residual de la soldadura sobre la resistencia a la fatiga de la unión está relacionada con las características del ciclo de tensión de la carga de fatiga. Es decir, cuando el valor propio del ciclo es bajo, el impacto es mayor.
Como se mencionó anteriormente, dado que hay tensiones residuales en las soldaduras estructurales que alcanzan el límite elástico del material, el ciclo de tensión real cerca de la soldadura oscilará hacia abajo desde el punto elástico del material en la unión con un ciclo de tensión de amplitud constante sin tener en cuenta la naturaleza cíclica de su función original. Por ejemplo, si el período de tensión nominal es de +S1 a -S2, el rango de tensión debería ser S1+S2. Pero el rango real del ciclo de tensión en la unión será Sy (amplitud de tensión en el límite elástico) a Sy-(S1+S2). Esto es muy importante a la hora de estudiar la resistencia a la fatiga de uniones soldadas, lo que ha llevado a algunos códigos de diseño a sustituir la característica cíclica R por un rango de tensiones.
Además, el tamaño de la muestra, el método de carga, la relación del ciclo de tensión y el espectro de carga también tienen un gran impacto en la resistencia a la fatiga durante la prueba.