¿Por qué se suele utilizar la «compatibilidad de baja resistencia» al soldar placas gruesas?
La «compatibilidad de baja resistencia» se refiere al uso de materiales de soldadura (electrodos, alambres, etc.) cuya resistencia es menor que la del metal base. Esto es especialmente común en la soldadura de placas gruesas, y sus principios subyacentes se pueden comprender desde perspectivas tanto mecánicas como metalúrgicas.
一. Principios mecánicos: Compatibilidad de deformación y redistribución de tensiones
❶ Tensión residual y restricción:
⑴ Durante la soldadura de placas gruesas, la soldadura y su zona circundante (zona afectada por el calor) experimentan intensos ciclos térmicos durante el calentamiento y el enfriamiento. Debido a la alta rigidez de la placa gruesa en la dirección del espesor, la contracción de la soldadura se ve fuertemente restringida.
⑵ Esta fuerte restricción genera una alta tensión residual dentro de la unión soldada, especialmente en las direcciones del espesor y la longitud de la soldadura, donde la tensión máxima puede aproximarse o incluso alcanzar el límite elástico del material.
❷ Efecto de “tablón corto” de resistencia y función de válvula de seguridad:
⑴ En diseños de unión de baja resistencia, la resistencia a la fluencia del metal de soldadura es menor que la del metal base. Cuando una unión se somete a carga (especialmente cargas dinámicas o concentración de tensiones), la zona de soldadura, más débil, sufrirá primero deformación plástica.
⑵ Esta deformación plástica actúa como una “válvula de seguridad”, liberando y redistribuyendo eficazmente las altas tensiones residuales y los picos de tensión localizados en la unión, evitando así una concentración excesiva de tensiones en zonas más críticas (como la zona afectada por el calor, generalmente menos resistente).
⑶ Una analogía sencilla: Imagine una cadena donde un eslabón (la soldadura) es intencionalmente más débil. Cuando la cadena se sobrecarga, este eslabón débil se deformará y alargará primero, emitiendo una “advertencia” en lugar de permitir que otros eslabones más críticos y resistentes (el material base o la zona afectada por el calor) se fracturen repentinamente de forma frágil.
❸ Mayor resistencia a la fractura frágil:
⑴ En estructuras de placas gruesas, la fractura frágil es uno de los principales modos de fallo. Esta fractura suele originarse en zonas de alta tensión con defectos (como grietas o penetración incompleta) y concentración de tensiones.
(2) Las soldaduras de baja resistencia presentan una mayor capacidad de deformación plástica, lo que les permite pasivar las puntas de las grietas mediante fluencia, reduciendo significativamente el riesgo de propagación inestable de grietas y, por lo tanto, mejorando la resistencia general de la unión a la fractura frágil.
二. Principios metalúrgicos: Mejora del rendimiento integral de las soldaduras
❶ Equilibrio entre resistencia y tenacidad en el metal de soldadura:
(1) En metalurgia, la resistencia y la tenacidad suelen ser contradictorias. Incrementar la resistencia generalmente requiere aumentar el contenido de carbono o de elementos de aleación, pero esto a menudo sacrifica la tenacidad y la plasticidad, e incrementa la susceptibilidad al agrietamiento en frío.
(2) Los materiales de soldadura compatibles de baja resistencia suelen tener un menor equivalente de carbono, lo que implica:
● Mejor soldabilidad: Menores requisitos de temperatura de precalentamiento, lo que simplifica la soldadura.
● Mayor tenacidad: El metal de soldadura presenta una tenacidad al impacto superior a baja temperatura.
● Menor susceptibilidad al agrietamiento en frío: Menor sensibilidad al agrietamiento en frío inducido por hidrógeno, lo cual es crucial para la soldadura de placas gruesas.
❷ Tolerancia a defectos menores:
(1) Cualquier soldadura puede contener defectos menores como porosidad e inclusiones de escoria. Las soldaduras compatibles de baja resistencia con buena tenacidad son menos sensibles a estos defectos porque su buena plasticidad permite una distribución de tensiones más uniforme, evitando concentraciones de tensión extremadamente altas en los puntos de los defectos.
En resumen, las ventajas de la unión de baja resistencia son: al sacrificar una pequeña cantidad de resistencia nominal, se logra una mayor seguridad general de la unión, resistencia a la fisuración (especialmente a la fisuración en frío y a la fractura frágil) y facilidad de fabricación. Esta filosofía de diseño se basa en “utilizar la flexibilidad para superar la rigidez”.
¿Cuándo es necesario el uso de uniones de igual resistencia o de alta resistencia?
Se deben utilizar uniones de igual resistencia (resistencia de la soldadura igual a la del metal base) o de alta resistencia (resistencia de la soldadura superior a la del metal base) en las siguientes situaciones:
一. Situaciones en las que se debe utilizar la unión de igual resistencia o de alta resistencia:
❶ Estructuras sometidas principalmente a cargas dinámicas y de fatiga:
● Por ejemplo: puentes, plumas de grúas y plumas de maquinaria de construcción.
● Principio: En estas estructuras, la soldadura debe soportar esfuerzos cíclicos repetidos. Si se utiliza un ajuste de baja resistencia, la zona de soldadura de menor resistencia acumulará prematuramente deformación plástica bajo carga cíclica, lo que conlleva una reducción significativa de la vida a fatiga. El ajuste de igual o mayor resistencia garantiza que la soldadura tenga una resistencia a la fatiga comparable a la del metal base, lo que hace que las grietas por fatiga tengan más probabilidades de iniciarse en el metal base que en la soldadura.
❷ Estructuras de chapa delgada basadas en el diseño por resistencia:
● Cuando el espesor de la chapa es reducido, la tensión de restricción de la soldadura es baja y los problemas de tensión residual no son significativos. En este caso, la capacidad de carga de la estructura suele estar determinada directamente por la resistencia del material. Para aprovechar al máximo el material y reducir el peso estructural, debe utilizarse un ajuste de igual resistencia para garantizar que la soldadura no se convierta en un punto débil de la estructura.
❸ Situaciones en las que el metal de soldadura debe soportar la resistencia total del metal base:
● En algunos diseños, la carga se transfiere completamente a través de la soldadura y se maximizan las dimensiones de la sección transversal del metal base. En este caso, la soldadura debe tener al menos la misma resistencia que el metal base; de lo contrario, se convertirá en el punto de partida del fallo.
❹ Requisitos de materiales y procesos específicos:
● Por ejemplo, al soldar acero templado y revenido (acero templado + revenido), para mantener el rendimiento de la zona afectada por el calor, generalmente se requiere utilizar materiales de soldadura de igual o ligeramente superior resistencia, junto con procesos de soldadura rigurosos, para evitar el ablandamiento y la degradación del rendimiento en la zona afectada por el calor.
● En la soldadura de acero inoxidable y acero resistente al calor, además de la resistencia, el requisito más importante es que la resistencia a la corrosión o el comportamiento a altas temperaturas del cordón de soldadura coincida con el del metal base. Esto generalmente implica que es necesario un ajuste perfecto de la composición, lo que suele resultar en soldaduras de igual o mayor resistencia.
❺ Normativa y estándares:
● Algunas normas industriales (como las de recipientes a presión, componentes de centrales nucleares y componentes críticos en la industria aeroespacial) pueden estipular explícitamente el uso de materiales de igual o mayor resistencia para garantizar la seguridad absoluta en condiciones extremas.
Nota especial sobre el uso de materiales de alta resistencia:
Un material de alta resistencia generalmente no significa que “cuanto más resistente, mejor”. Una resistencia de soldadura excesivamente alta puede provocar:
⑴ Disminución de la tenacidad.
⑵ Incompatibilidad con la plasticidad del metal base; bajo una restricción excesiva, la deformación puede concentrarse en el metal base adyacente o en la zona afectada por el calor.
Por lo tanto, incluso con materiales de alta resistencia, la resistencia suele ser solo un grado superior a la del metal base, y es fundamental garantizar que su tenacidad y plasticidad cumplan con los requisitos.
Conclusión
La selección de principios de igualación de resistencia para uniones soldadas es una decisión de ingeniería integral:
● Para placas gruesas, cargas estáticas y estructuras donde se prioriza la resistencia a la fractura frágil, se debe priorizar la igualación de resistencia, aprovechando su excelente capacidad de redistribución de esfuerzos y su alta tenacidad para garantizar la seguridad.
● Para placas delgadas sometidas a cargas dinámicas, cargas de fatiga o estructuras con requisitos de rendimiento especiales basados en el diseño de resistencia, se debe utilizar la igualación de resistencia o la igualación de alta resistencia para garantizar la capacidad de carga y el rendimiento en servicio de la unión.
En la práctica de la ingeniería, la selección final debe basarse en los requisitos de diseño específicos, las condiciones de servicio, las normas y especificaciones aplicadas y las pruebas de calificación de proceso suficientes.