Cómo mejorar la resistencia a la fatiga en las uniones soldadas

1. Reducir la concentración de tensiones

Las grietas por fatiga se originan en las concentraciones de tensión presentes en las uniones soldadas y en las estructuras. Cualquier medida que elimine o reduzca dichas concentraciones puede aumentar la resistencia a la fatiga.

Utiliza una estructura sólida

• Se recomienda utilizar uniones a tope y reducir al mínimo las uniones solapadas. Siempre que sea posible, sustituya las uniones en T o las uniones en esquina en estructuras críticas por uniones a tope y mantenga las soldaduras alejadas de las esquinas. Si no es posible evitar una unión en T o una unión en esquina, utilice soldaduras de penetración completa.
• Evita las cargas excéntricas. La fuerza interna debe fluir con suavidad y distribuirse de manera uniforme sin generar tensiones secundarias.
• Proporcione transiciones graduales en los puntos de unión entre placas de espesor o anchura sustancialmente diferentes. Utilice radios generosos en las esquinas y curvas cerradas.
• Evita las intersecciones espaciales con tres soldaduras. Mantén las soldaduras alejadas de las zonas de concentración de tensiones y evita las soldaduras transversales en los elementos sometidos a tracción principal. Cuando sea inevitable, garantiza una alta calidad interna y externa y minimiza la concentración en el talón de la soldadura.
• No dejes un soporte permanente detrás de una soldadura a tope por una sola cara en una estructura crítica. Evita las soldaduras intermitentes, ya que cada segmento presenta fuertes concentraciones en su inicio y en su final.

Las estructuras sometidas a cargas dinámicas o a condiciones de baja temperatura requieren un diseño detallado más minucioso que las estructuras sometidas a cargas estáticas a temperatura ambiente.

Control de la forma y la calidad de la soldadura

El refuerzo de la soldadura a tope debe ser lo más pequeño posible y, preferiblemente, la soldadura debe pulirse o esmerilarse hasta quedar a ras. En las uniones en T, utilice soldaduras en ángulo cóncavas en lugar de convexas. Asegúrese de que la transición en el pie de la soldadura sea suave, esmerilándola o refundiéndola con TIG cuando sea necesario.

Todo defecto de soldadura genera cierta concentración de tensiones. Los defectos planos —grietas, penetración incompleta, falta de fusión y socavado— son los que más afectan a la resistencia a la fatiga. Diseña cada junta de forma que sea de fácil acceso y permita una ejecución correcta, y elimina todos los defectos que superen los límites de aceptación.

2. Ajustar el campo de tensiones residuales

La tensión residual de compresión aumenta la resistencia a la fatiga, mientras que la tensión residual de tracción la reduce. Se puede crear un campo de compresión favorable en la superficie o una concentración de tensiones modificando la secuencia de soldadura o aplicando un calentamiento localizado.

En una unión a tope de una viga en I, la soldadura a tope 1 soporta la mayor tensión de flexión. Deja sin soldar un tramo corto de la soldadura en ángulo 3 en cada extremo, completa la soldadura 1 y, a continuación, completa la soldadura a tope del alma 2. La contracción de la soldadura 2 somete a la soldadura 1 a una compresión residual. Por último, suelde las partes reservadas de la soldadura 3; su contracción somete tanto a la soldadura 1 como a la 2 a una compresión residual. Los ensayos demostraron que esta secuencia aumentaba la resistencia a la fatiga del 30% en comparación con soldar el cordón 2 antes que el cordón 1. En el caso de una placa de refuerzo unida mediante soldaduras longitudinales, el calentamiento por puntos, correctamente situado en la muesca cercana al extremo de la soldadura, puede crear una compresión residual beneficiosa en la zona de concentración.

El endurecimiento por deformación superficial mediante laminado, martilleo o granallado también puede deformar plásticamente y endurecer la superficie de unión, dejando una compresión residual que mejora la resistencia a la fatiga.

3. Mejorar la microestructura y las propiedades de las uniones

Para mejorar la resistencia intrínseca a la fatiga del metal de base y del metal de soldadura, es necesario que tanto el material como el alambre presenten una mejor calidad metalúrgica y menos inclusiones. Cuando sea posible, el tratamiento térmico conjunto puede crear una microestructura favorable, aumentando la resistencia junto con la ductilidad, la tenacidad y la resistencia a la fatiga.

La resistencia, la ductilidad y la tenacidad deben estar equilibradas. La resistencia contrarresta la fractura, pero los materiales de alta resistencia son sensibles a las muescas. La ductilidad absorbe la energía de deformación, reduce los picos de tensión, redistribuye las tensiones elevadas y suaviza las puntas de las muescas y las grietas, de modo que su crecimiento se ralentiza o se detiene. Dado que la ductilidad permite aprovechar eficazmente la resistencia, el aumento de la ductilidad y la tenacidad puede mejorar notablemente la resistencia a la fatiga de las uniones de aleaciones de aluminio de alta resistencia.