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

Abstract

Welding is the third most employed manufacturing process behind assembly and machining. These processes have a direct impact on several sectors such as machine-tool, transportation (automotive, naval, railway,…), energy (nuclear, oil&gas, off-shore,…), construction, elevation industry, etc. Nowadays, in order to deal with the big challenges that are facing these sectors, it is necessary to design welded structures and products with a tighter and more reliable sizing, optimizing the use of resources in terms of raw materials, energy and economic for the whole life cycle of the product. In those structures and components, welded joints are the most critical zones prone to suffer fatigue fractures. One of the main problems of welded structures is the generation of residual stresses, which have direct impact on the high cycle fatigue life behaviour. Accurate estimation of the residual stress pattern is very complex and requires the simulation of the welding process. Consequently, most of the existing approaches to estimate the fatigue life of welded joints do not consider the value of residual stresses being the lack of precision the main limitation of these methods. In this context, in this dissertation it is developed a procedure to accurately predict the fatigue life of welded structures considering the value of residual stresses generated in the welding process. Three have been the main fields of research conducted to achieve this purpose: In a first stage, a procedure has been developed and validated to predict the residual stresses generated during welding process. Initially an analytical model is proposed, based on the MIG welding physics for spray transfer, to obtain the input parameters for the simulation of welding process. The proposed method has the advantage that it allows to determine the input parameters for the numerical model without the need of any experimental test. Then, a numerical model has been developed and validated to predict residual stresses generated during the welding process. This model is based on the use of welding speed (using the kill-rebirth technique) and the heat source for each passes defined with the analytical model developed earlier. In order to verify that the proposed procedure is applicable to different welded joint configurations, a butt weld and a T-joint have been analysed. Results obtained with the developed procedure results have been validated by means of experimental tests carried out measuring the electrical, thermal and mechanical field. The obtained results have shown that the model developed in this dissertation is a very effective tool to model MIG welding processes with spray transfer. Finally, it has been developed and validated a method to predict the fatigue life of welded components under different configurations considering the multiaxial stress state, by determining the critical plane and using value of calculated residual stresses. Theoretical estimations have been validated by experimental fatigue tests at different loads. In order to verify that the procedure can be applied for welded joints with different configurations, butt welds at 0º and 45º and also T joint have been analysed. Results show a higher accuracy than the current methods and standards for the fatigue life prediction of welded joints.

La soldadura es uno de los procesos más críticos de la industria de fabricación de todo el mundo, siendo el tercer método más empleado por detrás del ensamblaje y el mecanizado. Dichos procesos repercuten de forma directa en sectores tan diversos como máquina herramienta, transporte (automoción, naval, ferrocarril,…), energía (nuclear, oil&gas, offshore,…), 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. En dichas estructuras y componentes, las uniones soldadas son las zonas críticas a la hora de sufrir roturas por fatiga. En este sentido, uno de los principales problemas de las estructuras soldadas es la generación de tensiones residuales (TR) que perjudican directamente en la vida a fatiga. La correcta estimación del patrón de TR es 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 falta de precisión la mayor limitación de estos métodos. 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 TR 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 abordadas: En un primer apartado, se ha desarrollado y validado un procedimiento para predecir las TR 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 necesarios para realizar la simulación del proceso de soldadura. El método propuesto presenta la ventaja de permitir determinar los parámetros de entrada para el modelo numérico del proceso de soldadura sin la necesidad de realizar ningún ensayo experimental y por lo tanto ser empleado como herramienta predictiva. 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 el empleo de la velocidad de soldeo (mediante la técnica morirrenacer) 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, térmico y mecánico. Los resultados obtenidos han demostrado que el modelo desarrollado en esta tesis es una herramienta muy efectiva para para modelar 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 TR. Las estimaciones teóricas han sido validadas mediante ensayos experimentales de fatiga a diferentes cargas. Para certificar que el procedimiento puede ser aplicado a uniones soldadas con diferentes configuraciones, se han analizado la soldadura a tope a 0º y 45º y la soldadura en T. Los resultados obtenidos, muestran una mayor precisión que los métodos y normativas actuales para la estimación de vida a fatiga de uniones soldadas.

Mundu osoan, soldadura da fabrikazio saileko prozesurik erabakigarrienetako bat, muntatze eta mekanizazioaren ostean hirugarren metodorik erabiliena baita. Prozesu hauek gainera, eragin zuzena dute sektore ezberdin ugarietan, hala nola makina-erremintan, garraioan (automobilgintza, ontzigintza, tren, etab.), energian (nuklearra, olio eta gasa, offshore, etab.), eraikuntza, igogailuetan, … Gaur egun, sektore hauek dituzten beharrei aurre egiteko, beharrezkoa da soldatutako egitura eta produktuak dimentsionamendu doi, fidagarri eta baliabideen erabilera optimizatu batekin garatzea, bai lehengai aldetik zein energetiko eta ekonomikoki produktuaren bizi ziklo guztirako. Egitura eta osagai hauetan, nekearen eraginez sortutako hausturentzat, soldatutako loturak dira gune kritikoenak. Soldatutako estrukturen arazorik handienetako bat hondar tentsioen sorrera da, zuzenean kaltetzen baitute soldatutako loturen nekearekiko bizitza. Hondar tentsioen patroiaren estimazio egoki bat egitea konplexua da eta soldadurako prozesua simulatzea eskatzen du. Arrazoi hau dela eta, gaur egun soldatutako loturen nekearekiko bizia estimatzen duten ikuspuntu gehienek ez dute kontutan hartzen hondar tentsioen balioa, beraz metodo hauen mugatze handiena zehaztasun falta eta gain-dimentsionaketa dira. Testuinguru honetan, tesi honetan soldatutako prozesuan sortzen diren hondar tentsioak kontuan hartuz nekearekiko bizitza zehazki iragartzeko prozedura bat garatu da. Hiru ikerketa lerro nagusi jarraitu dira helburu hori lortze aldera: Lehenengo atalean, soldadurako prozesuan sortzen diren hondar tentsioak iragartzeko prozedura bat garatu eta balioztatu da. Hasteko, eredu analitiko bat proposatu da, spray transferentzia duen MIG soldaduraren fisikan oinarritzen dena, non soldadura prozesuaren simulazioa egiteko behar diren sarrerako parametroak zehazten diren. Soldadura prozesuaren zenbakizko modeloa garatzeko behar diren parametroak inongo entsegu esperimentalik gabe lortzea da metodo honek duen abantailarik handiena. Behin modelo analitikoa definitu ondoren, soldadurako prozesuan sortzen diren hondar tentsioen iragarpena egiteko zenbakizko eredu bat garatu eta balioztatu da. Eredu hau, iraganaldi bakoitzarentzat, bere soldatzeko abiadura (hil-berpizte teknikaren bitartez) eta bero iturria, aurretik garatu den eredu analitikoaren arabera definituak, erabiltzean datza. Garatu den prozedura beste edozein konfigurazio duen soldadurentzako ere baliagarria dela ziurtatzeko, bi soldadura aztertu dira topera eta T-n. Zenbakizko ereduaren emaitzak entsegu esperimentalen bitartez balioztatu dira, bai eremu elektriko, termiko zein eredu mekanikoarentzat. Lorturiko emaitzek egiaztatu dute tesi honetan garatu den modeloa oso tresna eraginkorra dela spray bidezko transferentzia duten MIG soldaduren modelizazioa egiteko. Azkenik, konfigurazio ezberdinetan soldatutako loturen nekearekiko biziaren iragarpena egiteko prozedura bat garatu eta balioztatu da, non tentsio egoera multiaxalaren eragina, plano kritikoa zehaztuz, eta hondar tentsioen balioak kontuan hartu diren. Iragarpen teorikoak, nekeko karga ezberdinetara egin diren entsegu esperimentalen bitartez lortu diren emaitzekin balioztatu dira. Garatutako prozedura beste edozein konfigurazio duen soldadurentzako ere baliagarria dela ziurtatzeko, 0º eta 45º-tara topera soldatutako eta T eran soldatutako piezak aztertu dira. Lortutako emaitzek, gaur egungo normatibek baino zehaztasun handiagoa erakusten dute soldatutako loturen bizia iragartzerako unean.