Analisis de Fallas de Soldadura de Filete

8/2/2019 Analisis de Fallas de Soldadura de Filete

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CONGRESO CONAMET/SAM 2004

ANLISIS DE FALLA DE LLANTA PARA SERVICIO PESADO

Hernn G. Svoboda(1,2)

, Horacio M. De Rosa(1)

(1)

Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingeniera, Dpto. Ing. Mecnica, Paseo Coln 850, Buenos Aires,Argentina, [email protected].(2)

Universidad de Buenos Aires, Facultad de Ingeniera, Laboratorio de Materiales y Estructuras, Las Heras 2214,Buenos Aires, Argentina, [email protected].

RESUMENEn el presente trabajo se analiz la falla de una llanta para servicio pesado perteneciente a un equipo paramovimiento de containers. La llanta estudiada fue reparada y fall en servicio. La falla se produjo en una junta

soldada de esquina que une el disco, que se fija al eje no motor, con otro componente denominado suplementoconsistente en una chapa cilndrica. El estudio se centr en determinar las posibles causas de la falla de la uninsoldada. Se realiz fractografa con estereomicroscopa ptica y microscopa electrnica de barrido (SEM), se

determin la composicin qumica de ambos materiales base y se evalu la soldabilidad de los mismos. Secaracterizaron microestructuralmente los metales base y el metal de soldadura y se determin la microdureza de losmismos. Se evaluaron las cargas actuantes y el sistema de solicitaciones al que estaba sometida la unin. Se

obtuvieron muestras en zonas fisuradas y en zonas no fisuradas de dicha unin soldada que esta constituida por uncordn interno y otro externo. Se evalu la penetracin y la fusin de ambos cordones y se ensay en traccin una

muestra no fisurada de la unin. La fisuracin se origin en el taln del cordn interno asistida por un perfilfuertemente convexo del cordn. La direccin de crecimiento de la fisura es consistente con la direccin mximastensiones normales (solicitacin externa, tensiones residuales y concentracin de tensiones). Se observ elcrecimiento de fisuras por fatiga. Se analizaron los resultados aplicando el criterio del enfoque local. Serecomendaron acciones correctivas sobre el procedimiento de soldadura a fin de mejorar el perfil de cordn yaumentar la vida a la fatiga del componente.

Palabras Claves: fatiga, concentrador de tensiones, soldadura GMAW

1. INTRODUCCIN

El componente en estudio corresponde a una

llanta de servicio pesado reparada. Durante lareparacin se realiza una unin soldada de esquina con

dos cordones, uno interior y otro exterior. En dichaunin soldada se unen el disco y un componentecilndrico denominado . El proceso de soldadurautilizado es semiautomtico con proteccin gaseosa yalambre macizo, del tipo GMAW. El material de ambaschapas se informa como acero de bajo carbono de uso

estructural. El componente reparado fall en servicio,localizndose la falla en la regin de la soldadura,

reportando este tipo de falla de ocurrencia frecuentesobre estas llantas reparadas.

La soldadura se realiz utilizando un alambreANSI/AWS ER70S-6, siendo CO2 la proteccin gaseosaempleada.

Este trabajo consisti en la caracterizacin de lafalla del componente mencionado. En este sentido se

analiz el material (ambos metales base) utilizado, elcordn de soldadura (microestructura, geometra,dureza), las caractersticas de la falla y el tipo desolicitaciones existentes a fin de determinar las causas

probables de la falla. A su vez, se cuantific laintegridad estructural de la unin a travs de un ensayo

mecnico.

En la figura 1 se puede ver un esquemaconstructivo de la llanta y la identificacin de lasdistintas partes componentes de la misma.

Figura 1. Esquema de la llanta en estudio.

2. PROCEDIMIENTO EXPERIMENTAL

Sobre el material recibido se realiz una inspeccinvisual a fin de determinar caractersticas generales de lafalla, tales como zona de inicio de la falla, tipo defractura, deformaciones plsticas macroscpicas,

dimensiones generales, etc.Se observaron las superficies de fractura, previa

limpieza con un decapado cido a fin de remover los


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CONGRESO CONAMET/SAM 2004xidos formados posteriormente a la falla. Lasobservaciones se realizaron con estereomicroscopa.Se determin la composicin qumica de los materiales

con los que se produjo la unin soldada (suplemento ydisco) y se determin el parmetro carbono equivalente

a fin de evaluar la soldabilidad del material.

De la unin fallada se extrajeron cortes parametalografa, sobre los cuales se realiz unaobservacin macrogrfica en ambos cordones (externo einterno). Adems de observ la microestructura en lazona primaria, en la zona recristalizada y en el metalbase. A su vez, se determin la dureza Vickers (HV1kg)

de ambos metales base, de la zona afectadatrmicamente y del metal de soldadura.

3. RESULTADOS

En la figura 2 se puede ver una imagen de un sector del

componente recibido, donde se observa parte del disco ydel suplemento. El cordn que se observa en la figuracorresponde al cordn interno de la unin soldada. A su

vez se puede ver el orificio realizado para el ingreso dela vlvula.

Figura 2. Sector de la llanta fallada.

Las solicitaciones a las que est sometido elcomponente en estudio son de diversos tipos. En primerlugar se tiene la que est asociada al par torsor quetransmite el eje sobre el que est montada la llanta atravs de los bulones que se fijan al disco de la misma.Esta solicitacin es variable con el tiempo sin una

periodicidad preestablecida. A su vez cambia de signodado que el vehculo avanza y retrocede. Adems suamplitud tambin es variable. Esta tensin tangencialest aplicada sobre el plano del disco de la llanta. Eneste sentido, sobre la unin soldada se tiene que lamxima tensin normal producida por la mencionadasolicitacin de torsin se encuentra en una direccin a45 del plano del disco.

Por otro lado, se tiene una carga de compresin debidaal peso de la carga y del vehculo. Por el diseo de la

llanta, como se observ en la figura 1, el disco soldadocon el suplemento se encuentra desplazado, por lo quela mencionada carga de compresin produce ademssobre el filete soldado en estudio una tensin de flexin

que tiende a cerrarlo, solicitando a traccin el cordnexterno de la junta y a compresin el cordn interno.Sin embargo esta carga, que se puede asumir comopulsante, est soportada por refuerzos que se colocan enel interior de la llanta segn se inform previamente.

Sobre la superficie de fractura en la zona adyacente al

mencionado orificio, practicado por oxicorte, se detectel avance de fisuras por fatiga. En las figuras 3 sepuede ver un detalle de dicha zona.

Figura 3. Lneas de playa en la superficie de fracturaen la zona cercana al orificio de ingreso de la vlvula.

En la figura 4 se puede ver un sitio de inicio de unafisura crecida por fatiga. Dicho sitio se encuentra sobrela superficie, en la zona correspondiente al taln delcordn interno.

Figura 4. Inicio de una fisura crecida por fatiga en lazona cercana al orificio de ingreso de la vlvula.

En la fabricacin del bomb se utilizaron una chapa

plana para el disco y un tubo para el suplemento, ambasde acero. En la tabla 1 se pueden ver los resultados

obtenidos en la determinacin de la composicinqumica para ambos materiales utilizados.Puede verse que el material utilizado para elsuplemento tiene un nivel de aleacin (C, Mn y Si)levemente superior al material del disco.En cuanto a la soldabilidad del material utilizado, el

International Institute of Welding (IIW) [1]recomienda

la aplicacin del concepto de carbono equivalente Pcmcalculado con la expresin de Ito y Bessyo. Estaecuacin se aplica para aceros con tenores de C por


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CONGRESO CONAMET/SAM 2004debajo de 0,18%. Un valor de Pcm por debajo de 0,35%estima que el acero posee buena soldabilidad.

Tabla I. Composicin qumica del metal base.

Parte C Mn Si P SDisco 0.123 0.316 0.158 0.011 0.015

Suplem. 0.151 0.571 0.172 0.012 0.017

A partir de los valores del anlisis qumico del materialutilizado para la construccin del cilindro, indicados enla Tabla 1, el valor calculado es Pcm= 0,19% < 0,35%.En la figura 5 se puede ver una macrografa de un cortedonde se observan ambos cordones y el crecimiento deuna fisura desde el taln del cordn interno. En esa

imagen se puede ver la forma general, la penetracin y

la fusin de ambos cordones, junto con el perfil de cadauno de ellos y la preparacin de la junta. Se puede verque el cordn interno tiene un perfil convexo, y queexiste una pequea falta de penetracin en la raz dedicho cordn, sin observarse fisuracin en la raz.

Figura 5. Macrografa de la unin soldada.

En la figura 6 se puede un ver detalle del taln desde

donde crece la fisura del cordn interno, observndoseun valor elevado del ngulo del filete que se encuentraalrededor de los 75. Se puede observar en el corte elavance de la fisura desde el taln hacia el interior delmaterial a travs de la HAZ en principio y luego por elmetal base, en una direccin aproximadamenteortogonal a la hipotenusa del filete y aaproximadamente 45 respecto del plano del disco.Finalmente, en el metal base cambia la direccin de

crecimiento de la fisura y sigue creciendo en unadireccin aproximadamente ortogonal a la inicial.En cuanto al metal base, la microestructuramicroestructura de ambos materiales est constituida

por ferrita (solucin slida y perlita (constituyenteeutectoide). La microestructura del material del cilindro presenta un menor tamao de grano y una mayor

fraccin de perlita, lo que indica un mayor contenido deC, consistentemente con lo determinado qumicamente.

Figura 6. Detalle del crecimiento de la fisura.

En la figura 7 se puede ver una imagen de lamicroestructura del metal de soldadura observndose

ferrita poligonal en borde de grano (PF(G)), ferrita consegundas fases (FS) y ferrita acicular (AF). En amboscordones la microestructura es similar.

Figura 7. Microestructura del metal de soldadura.Escala 10 micrones.

En la figura 8 se puede ver la microestructura de la

zona recristalizada de grano grueso (ZRg).

Figura 8. Microestructura de la zona recristalizada degrano grueso (ZRg). Escala 30 micrones.


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CONGRESO CONAMET/SAM 2004

En la figura 9 se muestra la microestructura de la zonarecristalizada de grano fino (ZRf).

Figura 9. Microestructura de la zona recristalizada de

grano fino (ZRf). Escala 10 micrones.

No se observa la presencia de microestructuras frgilesdel tipo martensita (M) en la ZAC.

En cuanto a la dureza, se determin la dureza del metal base, tanto para el material del disco como para elsuplemento. Como se mencion anteriormente las

chapas utilizadas para la construccin de estos doselementos son similares, pero el material utilizado para

el suplemento presenta un contenido de aleanteslevemente superior. La dureza determinada sobre eldisco fue de 125HV, mientras que para el material del

suplemento fue de 159 HV. Esta observacin esconsistente con lo observado metalogrficamente y conlo determinado en el anlisis qumico de ambos

materiales.La dureza promedio medida sobre el cordn en lasdistintas zonas fue de: HVZC=205, HVZRg=197,HVZRf=176.Los bajos valores de dureza medidos en la ZonaAfectada Trmicamente son consistentes con loobservado en la microestructura de esa zona, donde no

se observ martensita entre los componentesmicroestructurales.

4. ANLISIS Y DISCUSIN

De los resultados obtenidos de la composicinqumica de los materiales base, de la observacin

metalogrfica y de la determinacin del perfil dedureza a lo largo de la lnea central del depsito no

se encuentran elementos microestructurales comofases frgiles (martensita), zonas de alta dureza en lazona afectada por el calor (ZAC) o inclusiones nometlicas que hayan podido promover la falla delcomponente. En consistencia con estasobservaciones no se detectaron problemas de

soldabilidad a partir del clculo del parmetro Pcm.

De la observacin macroscpica de los cordones desoldadura no se presentaron faltas de fusin lateral.En la cordn interno se detect una falta depenetracin en la raz presente en los dos cortesobservados.

En cuanto a la soldadura de filetes, el criterio de

aceptacin de una unin soldada est asociado conla fusin total de la raz del filete. En este sentido, sien un corte metalogrfico se presenta falta de fusin

en la raz entonces la junta presentar el defectodenominado falta de penetracin (LOP), siendo esteuno de los defectos ms frecuentementeencontrados, pudiendo producirse por lainaccesibilidad a la regin de la raz durante lasoldadura [2].

En este tipo de uniones soldadas se pueden presentardos tipos de fallas: fisuracin de raz o fisuracin detaln. La fisuracin de raz se produce debido a

dimensiones inadecuadas del filete, siendo las mismasinsuficientes para el espesor de la chapa [3]. El defecto

de LOP afectar la vida a la fatiga de la unin cuandoesta exceda un valor crtico de la mitad del espesor de

la chapa a ser soldado [4].A su vez, la resistencia a la fatiga de las unionessoldadas puede verse afectada cuando se produce uncambio abrupto en la seccin que configure unconcentrador de tensiones, producido por ejemplo, porun exceso de refuerzo de la soldadura, una inclusin de

escoria, una falta de penetracin o fusin, una excesivarugosidad superficial, etc.Las fisuras por fatiga se inician en el taln del filete

cuando la seccin del mismo es lo suficientementegrande, o inician en la raz cuando el tamao de lasoldadura es inadecuado [5]. En general el modo defalla por fisuracin del taln es ms seguro que el de

raz dado que la fisura puede detectarse antes de lafalla.

A su vez, el perfil del cordn ejerce un efectofundamental en este balance, dado que en el taln de lasoldadura se produce una importante concentracin detensiones. Este efecto concentrador del taln dependefundamentalmente del radio de curvatura en el taln. El perfil del cordn es crtico en este sentido, siendo el

efecto concentrador menor para los cordones cncavos

y ms severo par los cordones convexos [6].En la soldadura de filetes tanto el proceso (SMAW,FCAW o GMAW), los parmetros del mismo, el gas de proteccin, los materiales a soldar, el espesor de lachapa y el posicionamiento (desalineamientos ogaps) juegan un papel importante en la conformacindel cordn y en la geometra que adquiera el mismo [5].Para el proceso GMAW, la proteccin gaseosa con CO2

tiene una mayor tendencia a producir cordonesconvexos, mientras que el Ar o las mezclas Ar-CO2 yAr-O2 tienden a producir cordones con mejor factor deforma [7], de la misma forma que los procesos conformacin de escoria permiten mayor flexibilidad en la

conformacin del perfil del cordn. En la figura 10 sepuede ver un esquema del mencionado efecto del gas


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CONGRESO CONAMET/SAM 2004de proteccin sobre la forma del filete para soldaduracon GMAW.El crecimiento de las fisuras por fatiga en las uniones

soldadas depende del material, de las cargas y en particular de las configuracin geomtrica de la

soldadura y de la chapa [8].

Figura 10. Efecto del gas de proteccin sobre la formadel cordn en GMAW [7].

Se ha demostrado que la vida a la fatiga de la junta puede ser influenciada por los siguientes parmetros

geomtricos: el perfil del cordn o ngulo del filete, larelacin entre la longitud de la interfase no fundida y elancho del filete, y la relacin entre el lado del filete y elespesor de la chapa [9]. Adems, el crecimiento de un

fisura por fatiga se produce en una direccin ortogonal ala direccin en la que acta la tensin normal [10] sin lapresencia de deformacin plstica macroscpica.En general, en cuanto a la vida a la fatiga, los filetes con penetracin total son preferibles que los filetes con penetracin parcial [6], dado que estos ltimos presentan un defecto planar que limita la vida a la

fatiga. Evidentemente, las uniones con penetracin totalrequieren de una preparacin de junta mas compleja, lo

que encarece, junto con otros factores, el costo de la junta. En este sentido deber evaluarse la disminucinde la vida de la junta por la presencia de una junta depenetracin parcial.En este caso no parecera ser el factor controlante de lavida a la fatiga la falta de penetracin o la preparacin

de la junta, dado que la fisuracin se produce en el talndel cordn y no en la raz del mismo.

En cuanto al perfil del cordn interno, se puede ver enlas figuras 5 y 6 que el mismo adopta una perfilconvexo, sumamente negativo desde el punto de vistade la concentracin de las tensiones en el taln delfilete. Este efecto toma particular importancia en

componentes sometidos a fatiga, como se mencionanteriormente. A su vez, la fisuracin se presenta en el

taln, lo que indica que la falla est controlada por laconcentracin de tensiones y no por falta de seccin delfilete.En cuanto al sistema de cargas que solicita a la uninsoldada se tiene que principalmente est sometido aesfuerzos remotos de torsin y flexin alternativos. El

par torsor alternativo genera tensiones tangenciales en el plano del disco, que tiene asociadas las mximas

tensiones normales a 45, donde una es de traccin y laotra de compresin. Esta direccin es ortogonal a ladireccin en la que produce el crecimiento de la fisura

desde el taln del filete, observada en las figuras 5 y 6.Esta fisura creci por una tensin de traccin en una

direccin transversal a la direccin de crecimiento quees coincidente con la direccin de tensin normal ()mxima producida por dicho par torsor aplicado. A estehecho hay que sumarle el efecto de las tensionesresiduales del proceso de soldadura, las cuales son de

traccin en el taln del filete, lo que tambin favorece

la fisuracin en la direccin observada.Durante el proceso de soldadura se produce la fusin delas partes a unir y la del metal de aporte a travs de unafuente localizada de calor. El subsecuente enfriamientorpido produce tensiones residuales va deformacionestrmicas y transformaciones microestructurales. Estas

tensiones pueden alcanzar el lmite de fluencia en lazona soldada mientras que disminuyen fuertemente enla vecindad [5]. Los mayores valores de tensionesresiduales en soldaduras de filete se encuentran en losconcentradores de tensin, en particular las tensionesresiduales transversales son mximas en el taln del

filete [11].

En distintas zonas de la superficie de fractura seobserv el crecimiento de fisuras por fatiga y sedetectaron diversos sitios de inicio de dichas fisuras

ubicados en el taln del cordn interno (figura 4).Basados en consideraciones de enfoque local, la vida ala fatiga de un componente soldado estar controlada por las tensiones residuales y la dureza junto con lastensiones externas actuantes [5]. En este sentido en lafigura 11 se puede ver un esquema del modelo

propuesto por Radaj [5] para estimar el punto de iniciode la fisura.

Figura 11. Modelo para la estimacin de la vida a lafatiga en uniones soldadas [5].

En el taln del cordn se puede diferenciar distintaszonas con caractersticas particulares: el cordn de

soldadura (WB), la entalla de la soldadura (WN) y lazona afectada por el calor (HAZ). En cada una de estaszonas la dureza (HV) y las tensiones residuales (R)sern distintas. Estos dos parmetros HV y Rdefinirnel lmite de fatiga (E), que variar para cada zona. Elinicio de la fisura se espera que se produzca en el puntodonde la curva de tensiones cclicas causadas por las

cargas externas actuantes (L) contacte la curva de

resistencia a la fatiga local (E).En este sentido en el cordn interno de la unin soldadaestudiada la combinacin de: las componentes del


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CONGRESO CONAMET/SAM 2004sistema de solicitaciones alternativas remotas quetraccionaron el taln del cordn, con la magnificacinlocal de esas tensiones debido al concentrador de

tensiones severo que constituy el perfil convexo delcordn en el taln de la soldadura, junto con las

tensiones residuales del proceso de soldadura,

produjeron la nucleacin de fisuras en diversos sitioscercanos a la zona de ingreso de la vlvula quecrecieron por fatiga produciendo la falla de la llanta.Expresado en trminos de la curva de fatiga se produjoun aumento de la tensin efectiva local en el taln de lasoldadura lo que produjo que el nmero de ciclos a la

falla disminuya fuertemente.

5 CONCLUSIONES

A partir de los resultados obtenidos y del anlisis

de los mismos se puede concluir que:

- La falla se produce a partir de la fisuracin del talndel cordn interior del filete, sin deformacin plsticaapreciable.

- En el cordn interior se observa una leve falta depenetracin (LOP) en la raz.- No se observa fisuracin de raz, por lo que eldimensionamiento del filete sera adecuado.- No se observan faltas de fusin laterales.- En el cordn exterior no se observa fisuracin ni falta

de penetracin.- La microestructura del metal de soldadura no presentaanomalas. No se observa martensita en la ZAC, ni uncambio abrupto en el perfil de dureza.

- El carbono equivalente se encuentra por debajo delvalor recomendado por lo que no se detectan problemasde soldabilidad.

- El cordn interior presenta un perfil convexo quemagnifica fuertemente el factor de concentracin detensiones en el taln, especialmente importante encomponentes sometidos a fatiga.- Se detectaron sitios de inicio de fisura superficiales enel taln del cordn interno, en la zona cercana al orificio

realizado por oxicorte. A su vez, se detecta elcrecimiento de las mismas por fatiga.

- El par torsor que solicita alternativamente elcomponente genera las mximas tensiones de traccin

en la direccin del filete, traccionando la raz y lostalones del mismo. A su vez, las tensiones residuales del proceso tambin traccionan el taln. Adems el perfildel cordn produce la magnificacin de dichas tensionesen ese sitio.- La convergencia de dichos factores (solicitaciones

externas alternativas, tensiones residuales y geometradel filete) produce la magnificacin de las tensionesremotas en el taln del filete, superando localmente latensin necesaria para la nucleacin de una fisura y elcrecimiento de la misma por fatiga, producindose lafisuracin del material y la falla del componente.- A partir de un ensayo mecnico no normalizado se

obtuvo una carga de rotura de valor cualitativo. Esteresultado se constituye en un valor de referencia de la

integridad mecnica de la unin soldada, bajo lascondiciones de ensayo aplicadas susceptible de sercomparado con otro ensayo realizado bajo las mismascondiciones.

6. REFERENCIAS[1] Doc. IX-1305-83, Guide to the welding andweldability of low carbon microalloyed hot rolledsteels, International Institute of Welding Document,1983.

[2] S. V. Nadkarni, Modern Arc WeldingTechnology, Oxford and IBH Publishing Co Pvt Ltd,New Delhi, 1996, pp. 650-651.

[3] T. R. Gurney, Welding Research International,

1979, 4, pp. 45-52.

[4] J. G. Wylde, Application of fatigue design rulesfor welded steel joints,IIWDoc. XII-1342-89, 1989.

[5] D. Radaj,International Journal of Fatigue, 1996, 3,pp. 153-170.

[6] D. R. Milner, R. L. Apps, Introduction to weldingand brazing, Pergamon Press, Oxford, 1969.

[7] Gas Metal Arc Welding Guide, Lincoln Electric,1997.

[8] J. M. Ferreira, C. M. Branco, Theor. Appl. Fract.Mech., 1991, 15, pp. 131-142.

[9] I. F. C. Smith, R. A. Smith, Eng. Fract. Mech.,1983, 4, pp. 861-869.

[10] G. E. Dieter, Mechanical Metallurgy, 3 Ed.,1986, McGraw-Hill, N.Y.

[11] T. Teng, Ch. Fung, P. Chang, W. Yang,Int. Jour.of Pressure Vessels and Piping, 2001, 78, pp. 523-538.

AGRADECIMIENTOS

Al INTI CeMec por la Microscopa Electrnica deBarrido.

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