Defectos en Soldadura, Su Significación Defectos en Soldadura, Su Significación sobre el Comportamiento en Serviciosobre el Comportamiento en Servicio

Modos de Falla en Componentes Modos de Falla en Componentes Estructurales soldadosEstructurales soldados

DEFECTOS EN SOLDADURA Y SU SIGNIFICACIÓN SOBRE EL COMPORTAMIENTO EN SERVICIO.

La soldadura sin defectos es una idealización difícilmente alcanzable en la práctica. El inspector de soldadura debe conocer de qué manera la presencia de estos defectos afectan el comportamiento en servicio de una soldadura.

La presencia de defectos en una soldadura puede determinar el acortamiento de su vida útil. Es necesario poder detectarlos en una etapa temprana de su aparición sea durante la construcción del componente o durante el funcionamiento en servicio.

Las fallas en servicio de uniones soldadas como consecuencia de la presencia de defectos puede adoptar algunas veces formas catastróficas. De aquí la necesidad de identificar aquellos defectos que pueden conducir a este tipo de fallas.

El conocimiento por parte del Inspector de Soldadura sobre los mecanismos conducentes a la formación de los distintos tipos de defectos le permitirá tomar acciones efectivas para contribuir a impedir su aparición durante la construcción de un componente soldado.

Un mismo defecto puede tener consecuencias diferentes si está sometido a distintas condiciones de servicio. El conocimiento del comportamiento de los distintos defectos cuando varían esas condiciones harán del inspector un intérprete mas lúcido de la documentación técnica aplicable a una obra.

Componente estructural: cualquier elemento cuya función primordial sea la transmisión de esfuerzos mecánicos o la retención de presión.

Discontinuidad: cualquier aspecto o detalle geométrico, metalúrgico o mecánico que no se encuentre previsto en el diseño original del componente que por su magnitud o características no afecte la performance ni la vida útil del componente.

Defecto: cualquier aspecto o detalle geométrico, metalúrgico o mecánico que no se encuentre previsto en el diseño original del componente que por su magnitud o características pueda afectar la performance o la vida útil del componente

Concentrador de tensiones: toda discontinuidad geométrica severa o defecto de tipo geométrico que tenga la propiedad de modificar el campo de tensiones en forma local incrementando el valor de las tensiones en su vértice. Cualquier cambio brusco de sección o la presencia de una discontinuidad o defecto planar, constituyen en general un concentrador de tensiones.

Discontinuidad (defecto) planar: Toda discontinuidad (defecto) que por su forma pueda considerárselo contenido esencialmente en un plano. Las fisuras constituyen el ejemplo mas típico de este tipo de discontinuidad (defecto).

Discontinuidad (defecto) volumétrico (o no planar): Toda discontinuidad (defecto) que por su forma no pueda considerárselo contenido en un plano. Las inclusiones de escoria y la porosidad constituyen el ejemplo mas típico de este tipo de discontinuidad (defecto).

ESTADISTICA MUNDIAL DE FALLAS EN EQUIPOS CONDUCENTES A GRANDES PERDIDAS (D.Mahoney 1992)

Una unión soldada en un componente fabricado puede fallar en servicio como consecuencia de la presencia de un

defecto. Los modos que puede tomar esta falla son diversos. Los mas importantes son:

Inestabilidad elástica (pandeo local o generalizado) Excesiva deformación elástica (atascamiento) Excesiva deformación plástica (fluencia generalizada) Inestabilidad plástica (estricción, pandeo plástico) Fatiga de alto ciclo y bajo ciclo Corrosión, erosión, corrosión-fatiga, corrosión bajo

tensiones, etc. Creep y creep-fatiga Fractura rápida (frágil,dúctil,mixta)

La diapositiva anterior menciona los distintos tipos de falla que pueden ocurrir a un componente estructural en general. Sin ser un listado exhaustivo, incluye los mecanismos de falla mas frecuentes e importantes.

Pude verse que estos mecanismos son múltiples y que en algunos casos puede existir una combinación sinérgica entre ellos.

Algunos de los tipos de falla mencionados son mas o menos relevantes para el caso de uniones soldadas. En lo que sigue los iremos analizando individualmente, prestándoles mayor o menor atención según esta relevancia.

Esta diapositiva muestra un caso común de inestabilidad elástica representado por el pandeo de una columna de sección “U” en la que se ve la deformación experimentada por las alas de la misma como consecuencia del esfuerzo de compresión aplicado que ha superado la carga crítica.

Bajo ciertas condiciones un material que ha alcanzado la condición plástica puede inestabilizarse y conducir rápidamente a un colapso plástico. Un ejemplo conocido de este fenómeno es la estricción que precede a la rotura en el ensayo de tracción de un material dúctil. La inestabilidad plástica puede ser responsable en otros casos de la propagación rápida de una fisura, dando así origen a un fenómeno de fractura dúctil rápida. Hoy se sabe que muchas fallas catastróficas que en el pasado fueron atribuidas a fracturas frágiles, tuvieron su origen como inestabilidades dúctiles.

Rotura de un eje producida por fatiga

La fotografía anterior corresponde a la superficie de fractura por fatiga de un eje sometido a flexión rotativa. Puede observarse que la fisura por fatiga se inició en el concentrador de tensiones introducido por el chavetero. También se ven claramente las llamadas “líneas de playa” que denotan las sucesivas posiciones del frente de fisura hasta que se produce el colapso final de la sección remanente. Puede observarse la baja deformación plástica asociada a la rotura.

Soldadura transversal a tope que presenta fisuras por fatiga en el talón

La figura anterior muestra una soldadura a tope solicitada transversalmente por cargas variables en la que se ha generado una fisura por fatiga a partir del talón de la sobremonta. Puede observarse también una fisura secundaria.Veremos qué significa que la fisura se haya iniciado en el talón de las sobremonta.

Fisura por fatiga originada en el concentrador formado por el respaldo

permanente

La fotografía anterior muestra una fisura por fatiga a través del cordón de soldadura, iniciada en el concentrador formado por la presencia del respaldo permanente.Por esta misma razón muchas veces los códigos limitan o impiden el empleo de este tipo de respaldo

Reproducción de un artículo periodístico referido a un evento de falla por fatiga en una plataforma de explotación petrolera “costa afuera” que pudo haber conducido a una falla catastrófica.

Fractura frágil de un recipiente de presión durante la prueba hidráulica

Fractura frágil a lo largo de la HAZ de una soldadura en un recipiente de presión

La fotografía anterior ilustra el caso de una fractura frágil a lo largo de la HAZ del cordón de soldadura de un recipiente de presión. Puede verse claramente la naturaleza catastrófica de este tipo de falla.Obsérvese la ausencia casi completa de deformación plástica a nivel macroscópico.Analizaremos qué motivos pueden existir para que la fractura se haya propagado en esa zona en lugar de haber seguido una camino aleatorio.

Un caso clásico de fractura rápida (frágil). Tanker T-2 USS Schenectady, acaecida con la nave en

puerto, amarrada y descargada.

La fotografía anterior ilustra uno de los casos de fractura frágil mas difundidos en la literatura técnica. Se trata de la rotura catastrófica del tanker T-2 USS Schenectady, acaecida mientras la nave se encontraba amarrada en puerto y descargada. Este caso ilustra con elocuencia las características con que suele presentarse una fractura rápida, es decir:• rotura sorpresiva• ausencia de sobrecargas• diseño “clásico” correcto

De los aproximadamente 5000 barcos de la serie Liberty, Victory y tankers T-2, que los EE.UU. construyeron en los años 1940-45, unos 800 sufrieron fallas estructurales importantes y unos 200 fracturas mayores.

Dado que estos buques incorporaban el concepto de viga buque soldada, se puso en evidencia alguna relación entre el uso de la soldadura y los problemas de falla por fractura rápida.

Esta circunstancia llevó al inicio de un programa de investigación en el tema que condujo al desarrollo actual de la Mecánica de Fractura.

La fractura frágil se produce por separación de planos atómicos bajo tensiones normales

La fractura dúctil se produce por rotura plástica de los ligamentos entre partículas

Puede verse claramente el patrón “Chevron” típico de la fractura frágil, asociado a una baja deformación plás-tica en la superficie de fractura, que es esencialmente perpen-dicular a las superficies de la chapa. La fractura dúctil se caracteriza por su aspecto fibroso, ausencia del patrón “Chevron” y una super-ficie de fractura oblicua con relación a las superficies de la chapa.