SOLDADURA-DINAMICA

Vista previa del material en texto

CARGAS DE SOLDADURAS DINÁMICAS 
Las piezas cargadas dinámicamente fallan a niveles de esfuerzo mucho menores que las piezas 
cargadas estáticamente. 
 
 
 
 
la razón de esfuerzo R razón de amplitud A 
Efecto del esfuerzo medio sobre la resistencia a la fatiga en un ensamble soldado 
 
Los ensambles soldados cargados dinámicamente se comportan de un modo sorprendentemente 
diferente al de las partes no soldadas, en los cuales el esfuerzo medio es irrelevante para la falla a la 
fatiga potencial. 
*La figura 12-12 muestra datos de prueba a la fatiga tanto de muestras no soldadas como soldadas. 
Las muestras no soldadas eran barras de acero roladas en caliente, de sección transversal rectangular, 
cargadas a la tensión/compresión axial. Las muestras soldadas eran piezas cortadas de la misma barra, 
que después se unieron transversalmente con soldaduras con CJP a tope, usando la misma geometría 
integral, el mismo material y el mismo acabado de las no soldadas. Las muestras se probaron con 
carga axial a razones de esfuerzo R de 1/4 (variable), 0 (repetido) y -1(ciclo invertido). Las primeras 
dos tienen esfuerzo medio diferente de cero y la última el esfuerzo medio igual a cero. 
 
 
 
 
 
 
 
 
¿Son necesarios los factores de corrección para la resistencia a la fatiga de 
ensambles soldados? 
 
Una pieza de acero, nunca es mayor del 50% de su resistencia última a la tensión Sut ; por el contrario, 
generalmente es mucho menor debido a factores como su acabado superficial, tamaño, tipo de carga 
y otros (ecuación 4.6, p. 260). Los datos que proporcionan el límite de fatiga, sin corregir de 
resistencia Se’ = 0.5ut, vienen de la prueba de muestras de vigas giratorias con diámetro pequeño y 
superficies pulidas, los cuales se reportan como valores promedio. Por lo tanto, el valor Se’ sin corregir 
se debe reducir por los factores mencionados para tomar en cuenta las diferencias de tamaño, acabado 
superficial, etcétera, entre la muestra de prueba y la pieza, así como por un factor de confiabilidad 
estadístico para obtener la resistencia física corregida Se’. 
Los datos de resistencia límite a la fatiga y de fatiga para ensambles soldados no se obtienen a partir 
de muestras de laboratorio pulidas, sino de ensambles soldados reales, con una amplia gama de 
configuraciones. Estas muestras de prueba también son grandes (piense en la dimensión de piezas de 
edificios y puentes) y están hechas de acero rolado en caliente con superficies rectificadas, esfuerzos 
residuales provenientes del proceso de rola- do, y soldaduras reales con concentraciones de esfuerzos 
y esfuerzos residuales de tensión. 
Respuesta: Entonces, no se deben utilizar factores para estos datos de prueba a la fatiga ni 
reducirlos para que coincidan con las piezas, con base en el tamaño, el acabado superficial, 
etcétera, ya que las piezas son similares a las muestras de pruebas en tales aspectos. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Efecto de la configuración del ensamble soldado sobre la resistencia a la fatiga 
La resistencia a la fatiga de un ensamble soldado también varía de acuerdo con la presencia, o 
ausencia, de discontinuidades en la geometría del ensamble y las junturas de soldadura, las cuales 
crean concentraciones de esfuerzos, de modo que las muestras de prueba se hicieron deliberadamente 
con concentraciones de esfuerzos en forma de soldaduras discontinuas y adición de refuerzos, así 
como todas las variedades de juntas soldadas y soldaduras mencionadas. La AISC definió y probó 
muchas configuraciones diferentes de soldaduras; además, con base en la resistencia a la fatiga del 
metal base, las agrupó en ocho categorías identificadas como A, B, B’, C, D, E, E’ y F, en orden 
decreciente de resistencia para carga dinámica. La categoría A es la de mayor resistencia y la E’ la 
de menor resistencia a la fatiga. Observe que F es la resistencia al cortante del metal soldado, mientras 
las otras son para la resistencia a la tensión del área de fusión entre el material base y el soldado. En 
la referencia [2] están publicados diagramas de tales configuraciones, así como las letras 
correspondientes a categorías y resistencias a la fatiga para varios números de ciclos para cada 
categoría. La gráfica es demasiado grande como para reproducirla aquí en su totalidad; no obstante, 
en la figura 12-13 se muestran unos cuantos ejemplos seleccionados. 
La figura 12-13a muestra una parte de la categoría A. Observe que no tiene soldaduras. Ésta es la 
categoría más fuerte y es, en efecto, una referencia contra la cual se comparan las otras categorías. La 
relativamente baja resistencia a la fatiga de esta muestra (24 kpsi), comparada con una viga giratoria 
de muestra del mismo material (aproximadamente 30 kpsi), tiene que hacerlo con un tamaño más 
grande, superficie rectificada, esfuerzos residuales del proceso de rolado en caliente y cortante con 
flama de sus extremos. La figura 12-13b presenta soldaduras sin interrupción que corren por la 
longitud completa o ancho de la pieza, que corresponde a la categoría B. La figura 12-13c es similar 
a la 12-13b, pero tiene refuerzos agregados. En la dirección del es- fuerzo, los refuerzos son cortos 
(justo del espesor del elemento reforzado), pero algo de esfuerzo fluye del miembro principal hacia 
el refuerzo, creando así una concentración de esfuerzos; por lo tanto, la categoría del esfuerzo se 
reduce a la categoría C. La figura 12-13d puede ser cualquiera de tres categorías, dependiendo del 
material base y de si 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
el refuerzo de la soldadura está esmerilado al ras. La figura 12-13e tiene una geometría muy diferente 
de la 12-13c, pero también es categoría C, considerando la nota C que se aplica, si el tamaño de la 
membrana es mayor que 0.5 in. La nota C también se muestra en la figura 12-13e. Observe el nivel 
de detalle en estos tipos de muestra de prueba; hay muchos más en la especificación del AISC. El 
metal de la soldadura siempre es aproximadamente la categoría F, excepto en el caso de una soldadura 
con CJP transversal, la cual sería una categoría B o C, dependiendo de la eliminación del refuerzo. 
En la década de 1960 se realizaron pruebas exhaustivas de ensambles 
soldados en- cargadas por el Highway Research Board. En los laboratorios 
de dos universidades diferentes se realizaron pruebas por separado de 374 
vigas de 10 pies de extensión y profundidades de cerca de 15 pulgadas, 
con varios detalles soldados. Los resultados de ambos laboratorios 
implican una correlación estadística estrecha. La figura 12-14a muestra 
datos de prueba de vigas de la categoría A y la figura 12-14b presenta los 
datos de una vigas de la categoría E. Los tres conjuntos de datos en cada 
gráfica corresponden a cargas de diferentes valores de esfuerzo mínimo, 
aunque con el mismo intervalo de esfuerzo. Todos los grupos, en conjunto, 
muestran que el único parámetro de esfuerzo con efecto era el intervalo de 
esfuerzo. Los esfuerzos máximo, medio y mínimo no fueron factores en las 
fallas. Las líneas de regresión se ajustaron a los datos sobre ejes log-log. Las 
ecuaciones se muestran sobre las gráficas. Una tiene una pendiente de 3.372 
y la otra una pendiente de 2.877. Las líneas arriba y abajo de la línea media 
representan desviaciones estándar de ±2, las cuales incluyen el 95% de la 
población. La línea inferior de la banda se interpreta como la línea de 
resistencia a la fatiga. A partir de los datos, se desarrollaron relaciones 
exponenciales de resistencia a la fatiga para ensambles soldados, en función 
del número de ciclos, que se muestran más adelante. La pendiente promedio 
de todos los datos de las categorías A a E’ se redondeó a 1/3 en la ecuación 
de diseño 12.2a. La figura 12-14c muestra los diagramas S-N de cada una 
de las categorías AISC de ensambles soldados, con base en los datos de 
prueba.Éstos son diferentes de los diagramas S-N del capítulo 4 en que la 
ordenada muestra el intervalo de esfuerzo Δ (identificado como 
intervalo de resistencia a la fatiga Sfr), en vez del esfuerzo alternante a 
(denotado como resistencia a la fatiga Sf). También difieren en que no 
muestran valores promedio de resistencia a la fatiga y, en cambio, utilizan 
valores que son dos desviaciones estándar por debajo del promedio. 
Mientras que no son valores realmente mínimos, están cerca del mínimo 
porque el 95% de la población estará dentro de, más o menos, las dos 
desviaciones estándar del promedio, lo cual significa que sólo el 2.5% se 
encuentra debajo de dichos valores. De modo que no es necesario aplicar 
factores de confiabilidad para reducirlos más, a menos que uno quiera tener 
más del 95% de nivel de confianza en los datos; pero, entonces, se usa la 
tabla 12-4. 
 
Todas las categorías, con excepción de F, tienen la misma pendiente de 1/3 y su intersección 
disminuye con cada letra de categoría más alta. La categoría F que es para el metal de 
soldadura, en vez del metal base cercano a la soldadura, tiene una pendiente poco pronunciada 
de 1/6 y la intersección baja. Observe que las rodillas donde inicia la vida infinita también 
varían con la categoría: de 2E6 a más de 1E7 ciclos. Estas curvas son lineales en una gráfica 
log-log hasta llegar a la rodilla, de modo que se podrían ajus- tar a ellas ecuaciones 
exponenciales. Para todas las categorías, excepto F, el intervalo permisible de esfuerzo a la 
fatiga Sfr es 
 
 
 
donde N es el número requerido de ciclos de esfuerzo. C
F 
y S
er 
(el intervalo de esfuerzo de la resistencia en el 
límite de fatiga) se muestran en las tablas 12-15a y b para unidades estadounidenses y del SI, respectivamente. 
Estos valores son para aceros rolados en caliente con resistencias de fluencia por tensión de 36 a 110 kpsi. 
Para la categoría F, la cual es para el esfuerzo cortante en el metal de la soldadura, 
se convierte en 
 
 
 
 
 
y CF y Sers de la categoría F también se presentan en las tablas 12-5a y b. Cconf está dado en la tabla 12-4.* 
 
 
Los valores en las tablas 12-5 se pueden reducir con un factor de tres para emplearlo en aluminio. Para utilizar 
estos datos de resistencia, se calcula el intervalo de esfuerzo aplicado  o bien, τ y se determina el factor 
de seguridad para el área e fusión en tensión o al cortante para el metal de la soldadura, respectivamente, como: 
 
 
¿Existe un límite de resistencia a la fatiga para las soldaduras? 
Hasta hace poco se suponía que una vez que se alcanzaba la rodilla de la curva, en la figura 12-4c, la 
curva permanecía horizontal para ciclos infinitos en el caso del acero y otros cuantos materiales como 
el titanio. Ello permitía usar ese valor como un límite de resistencia a la fatiga para vida infinita, como 
se hizo en el capítulo 4 para piezas no soldadas. Investigaciones más recientes indican que la 
resistencia a la fatiga de soldaduras continúa declinando más allá de la rodilla. La figura 12-15 
muestra curvas de fatiga para un intervalo de esfuerzo, tanto del acero como del aluminio de la 
referencia 12. Los datos son resultado de pruebas exhaustivas realizadas por el Welding Research 
Council (WRC), sobre ensambles soldados con varias geometrías. El WRC definió categorías 
similares a las de la AISC, presentadas en la fi- gura 12-13, salvo que el WRC tiene muchas más 
categorías que se denotan con números en vez de letras. Véase la referencia 12 para sus definiciones. 
Los números asignados a los símbolos en la figura 12-15 se refieren a la resistencia de ese número de 
categoría de soldadura del WRC, tomada a 2 millones de ciclos. La rodilla del acero y el aluminio en 
tensión se tomó en 1E7 ciclos, pero los datos de fatiga por cortante (no mostrados) tienen la rodilla 
en 1E8 ciclos. Estas figuras muestran la resistencia a la fatiga en un intervalo de esfuerzo por tensión, 
para los ensambles soldados de acero y aluminio que declinan con ciclos de esfuerzo más allá de la 
rodilla de la curva, pero con una pendiente mucho menor. El exponente de la ecuación de la curva se 
vuelve 1/22 más allá de la rodilla. La figura 12-14 también refleja este hecho, pero mostrando esas 
líneas con una pequeña pendiente negativa más allá de la rodilla. También se evita llamar resistencia 
límite de fatiga al valor en la rodilla, en cambio se denominará Sers como a resistencia en el límite de 
fatiga. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
¿Falla por fatiga en carga de compresión? 
Otra diferencia entre piezas no soldadas y soldadas sometidas a fatiga tiene que ver 
con el esfuerzo residual de tensión en las soldaduras. Recuerde que en el capítulo 4 se 
estableció que las fallas por fatiga se deben exclusivamente al esfuerzo de tensión 
oscilante. Las oscilaciones del esfuerzo de compresión pueden ignorarse sin 
problema. De hecho, en el capítulo anterior se vio cómo utilizar los esfuerzos 
residuales de compresión en la zona sujetada de pernos cargados para “ocultar” 
parcialmente los esfuerzos oscilantes de tensión, aplicados en el perno cargado a la 
tensión. Se consideró como un amigo al esfuerzo de compresión en las partes no 
soldadas, cargadas dinámicamente. Sin embargo, cuando se incorporan soldaduras en 
una pieza, esto ya no es válido. 
 
El esfuerzo oscilante de compresión también suele causar grietas por fatiga. 
¿Cómo ocurre lo anterior? 
La respuesta es el esfuerzo residual de tensión. Como ya se describió y se 
esquematizó en la figura 12-10, una soldadura siempre tendrá esfuerzos residuales 
de tensión en el punto de fluencia del material. Considere dos casos diferentes de 
carga sobre una parte soldada, cuya resistencia a la fluencia es de 50 kpsi. En el primer 
caso, se aplica, en la región de la soldadura, un esfuerzo oscilante de tensión que varía 
entre 0 y 10 kpsi. En el primer ciclo, el esfuerzo en el área de la soldadura rebasará 
la resistencia contra la fluencia. El material cederá localmente, mitigando algo del 
esfuerzo residual, en aproximadamente 10 kpsi. Cuando la carga regresa a cero, sólo 
tiene ahí 40 kpsi de esfuerzo residual. Los ciclos sucesivos oscilarán entre 40 y 50 
kpsi de esfuerzo de tensión en ese punto, con un intervalo de esfuerzo de 10 kpsi. 
Ahora se toma una muestra nueva con los mismos 50 kpsi de esfuerzos residuales en 
la soldadura y, luego, se modifica la carga aplicada a una compresión oscilante de 
cero a 10 kpsi negativos. El esfuerzo local en la soldadura va ahora de 50 a 40 kpsi de 
esfuerzo de tensión en cada ciclo. Como la fase de la oscilación del esfuerzo no 
importa, la oscilación del esfuerzo de tensión es la misma en ambos casos. Los 
esfuerzos aplicados de compresión cargan esa ubicación con un esfuerzo de tensión 
variable; después, se pueden desarrollar grietas en la soldadura. Tales grietas sólo 
crecen en la zona del esfuerzo residual de tensión, pero no se propagan hacia el metal 
base, aunque debilitan la soldadura y podrían causar una falla ahí. En el capítulo 4 se 
advirtió contra el esfuerzo residual por tensión permisible en piezas cargadas por 
fatiga. Por desgracia, la naturaleza de las soldaduras garantiza altos esfuerzos 
residuales de tensión. Este esfuerzo residual se logra reducir con granallado, como se 
vio en la sección 4.8, aunque el granallado es menos efectivo en soldaduras. 
 
 
 
Bibliografía 
https://www.freelibros.me/mecanica/diseno-de-maquinas-un-enfoque-integrado-4ta-edicion-robert-
l-norton 
http://sybprogramas.blogspot.com/2017/01/diseno-en-ingenieria-mecanica-shigley_75.html 
https://www.freelibros.me/mecanica/diseno-de-maquinas-un-enfoque-integrado-4ta-edicion-robert-l-norton
https://www.freelibros.me/mecanica/diseno-de-maquinas-un-enfoque-integrado-4ta-edicion-robert-l-norton
http://sybprogramas.blogspot.com/2017/01/diseno-en-ingenieria-mecanica-shigley_75.html