¿Cómo se puede garantizar la seguridad y fiabilidad de las uniones soldadas en estructuras críticas? Este artículo se sumerge en los complejos principios de la adecuación de la resistencia de las uniones soldadas, explorando diferentes escenarios en los que la resistencia de la soldadura iguala, supera o queda por debajo de la resistencia del material base. Al comprender estos principios, los lectores aprenderán a seleccionar los materiales de soldadura adecuados y a diseñar juntas soldadas que mantengan la integridad estructural en diversas condiciones.
Durante mucho tiempo, el principio tradicional de diseño de estructuras soldadas se ha basado principalmente en el diseño de la resistencia.
En las estructuras soldadas reales, existen tres tipos de relaciones de correspondencia entre la soldadura y el material base en términos de resistencia: la resistencia de la soldadura es igual a la resistencia del material base (correspondencia de igual resistencia), la resistencia de la soldadura supera la resistencia del material base (correspondencia de resistencia superior, también conocida como correspondencia de alta resistencia) y la resistencia de la soldadura es inferior a la resistencia del material base (correspondencia de baja resistencia).
Desde el punto de vista de la seguridad y la fiabilidad estructural, la resistencia de las soldaduras debe ser al menos igual a la resistencia del material base, lo que se conoce como el principio de diseño de "igual resistencia".
Sin embargo, en la producción real, los materiales de soldadura se seleccionan a menudo en función de la resistencia del metal depositado, que no es equivalente a la del metal real. resistencia de la soldadura.
El metal depositado no es equivalente al metal de soldadura, especialmente cuando se utilizan materiales de soldadura para aceros de baja aleación y alta resistencia, en los que la resistencia del metal de soldadura suele ser muy superior a la del metal depositado.
Como resultado, puede haber una "fuerza igual" nominal pero una "fuerza superior" real.
No hay consenso sobre si el emparejamiento de fuerzas superiores es siempre seguro y fiable, y existen algunas dudas.
En el diseño del puente Jiujiang del río Yangtsé, en China, el "valor de resistencia superior" de la soldadura se limita a no más de 98MPa. El académico estadounidense Pelini propuso que, para alcanzar objetivos de integridad estructural conservadores, pueden utilizarse soldaduras con una resistencia equivalente o inferior al material base en 137 MPa (es decir, coincidencia de baja resistencia). Según los resultados de la investigación del japonés Sato Kunihiko y otros, la igualación de baja resistencia también es factible y se ha aplicado en ingeniería.
Sin embargo, el erudito belga Soete y el chino Zhang Yufeng opinan que el emparejamiento de fuerzas superiores debería ser ventajoso.
Evidentemente, aún no existe una base teórica y práctica suficiente para los principios de diseño relacionados con la adecuación de la resistencia de las soldaduras que afectan a la seguridad y fiabilidad de las estructuras soldadas, y no existe una comprensión unificada.
Con el fin de determinar unos principios de diseño más razonables para las uniones soldadas y proporcionar una base para la correcta selección de los materiales de soldadura, el profesor Chen Bolin y otros de la Universidad de Tsinghua emprendieron el proyecto de investigación de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales "Investigación teórica sobre las uniones de alta resistencia". Soldadura de acero Igualación de la dureza.
El contenido de la investigación del proyecto incluye la resistencia a la fractura de 490MPa grado bajo límite elástico la resistencia a la fractura de las uniones de acero de alta resistencia con alto límite elástico de grado 690~780MPa, la resistencia a la tracción de las uniones no soldadas, el comportamiento de deformación de la parte superior de las probetas con muescas profundas y los ensayos END de las uniones soldadas.
Un gran número de resultados experimentales han demostrado que:
Para el acero de alta resistencia y bajo límite elástico con una resistencia a la tracción de 490MPa, es ventajoso utilizar materiales de soldadura con una cierta tenacidad y una resistencia superior adecuada.
Si se tienen en cuenta factores como la procesabilidad de la soldadura y la adaptabilidad al uso, es más razonable seleccionar materiales de soldadura con una cierta tenacidad e "igual resistencia" real.
La resistencia a la fractura y el comportamiento de las uniones soldadas de este tipo de acero dependen del efecto combinado de la resistencia y la ductilidad del material de soldadura.
Por lo tanto, estructura de soldadura un diseño basado únicamente en consideraciones de resistencia sin tener en cuenta la tenacidad no puede garantizar de forma fiable su seguridad de uso.
En el caso de los aceros de alta resistencia con un límite elástico de 690~780MPa, el comportamiento en fractura de sus uniones soldadas no sólo está relacionado con la resistencia, la tenacidad y la plasticidad de la soldadura, sino que también está condicionado por la heterogeneidad de la unión soldada.
Una resistencia excesivamente superior o baja de la soldadura no es lo ideal, mientras que las uniones que se aproximan a la igualdad de resistencia tienen el mejor rendimiento de fractura. Por lo tanto, diseñar las uniones soldadas según el principio de igual resistencia real es razonable. Por lo tanto, debe haber límites superior e inferior en la resistencia de la soldadura.
El coeficiente de coincidencia de resistencia (Sr) es la relación entre la resistencia a la tracción del metal depositado del material de soldadura y la resistencia a la tracción del material base, y puede reflejar la heterogeneidad del rendimiento mecánico de la unión.
Los resultados experimentales muestran que cuando Sr≧0,9, la resistencia de la unión soldada puede considerarse cercana a la resistencia del material base. Por lo tanto, en la práctica de producción, el uso de materiales de soldadura que reduzcan la resistencia en 10% en comparación con el material base puede garantizar que la unión cumpla los requisitos de diseño de igual resistencia.
Cuando Sr≧0,86, la resistencia de la unión puede alcanzar más de 95% de la resistencia del material base. Esto se debe a que la mayor resistencia del material base restringe el metal de soldadura, mejorando así la resistencia de la soldadura.
El coeficiente de límite elástico del material base tiene una influencia importante en el comportamiento a la fractura de las uniones soldadas. J
as juntas con coeficientes de límite elástico del material base más bajos presentan una mayor resistencia a la rotura por fragilidad que las juntas con coeficientes de límite elástico del material base más altos. Esto indica que la reserva de plasticidad del material base también tiene un impacto significativo en la resistencia a la fractura frágil de la junta.
El comportamiento de deformación del metal de soldadura está influido por la coincidencia de propiedades mecánicas entre la soldadura y el material base.
Bajo el mismo esfuerzo de tracción, la deformación de la soldadura de la junta de igualación de resistencia superior de acero de bajo límite elástico es mayor, mientras que la deformación de la soldadura de la junta de igualación de baja resistencia de acero de alto límite elástico es menor. El desplazamiento de apertura de grieta (valor COD) de la junta soldada también muestra la misma tendencia, lo que indica que la junta de igualación de resistencia superior de acero de bajo coeficiente de límite elástico tiene la ventaja de ceder fácilmente en la punta de la grieta y una mayor deformación en la punta de la grieta.
La resistencia a la rotura frágil de las uniones soldadas está estrechamente relacionada con la heterogeneidad del comportamiento mecánico de la unión. No sólo está determinada por la resistencia de la soldadura, sino también por la tenacidad y plasticidad de la misma. La selección de los materiales de soldadura no sólo debe garantizar que la soldadura tenga una resistencia adecuada, sino también que la soldadura tenga suficiente tenacidad y plasticidad. Es decir, debe controlarse bien la correspondencia entre la resistencia y la plasticidad de la soldadura.
En el caso de los aceros de alta resistencia, lograr una igualación de la resistencia entre el metal de soldadura y el material base presenta importantes dificultades técnicas. Incluso si la resistencia de la soldadura alcanza la misma resistencia, la plasticidad y la tenacidad de la soldadura pueden reducirse hasta un nivel inaceptable, y la resistencia a la fisuración también puede disminuir significativamente. Para evitar grietas de soldaduraLas condiciones de construcción deben ser extremadamente estrictas, y el coste de construcción aumentará considerablemente.
Para evitar sacrificar el rendimiento global de la estructura persiguiendo únicamente la resistencia y mejorar la fiabilidad económica en la construcción, es necesario reducir la resistencia y adoptar un esquema de adaptación de baja resistencia.
Por ejemplo, el acero para submarinos NS110 de Japón tiene un límite elástico superior o igual a 1098MPa, y el límite elástico del metal depositado de la coincidencia varilla para soldar y alambre de soldadura con protección de gas debe ser mayor o igual a 940MPa, con un coeficiente de igualación del límite elástico de 0,85.
Después de utilizar materiales de soldadura de baja resistencia, el contenido en carbono y el equivalente de carbono de la soldadura pueden reducirse, lo que mejorará la tenacidad y la resistencia al agrietamiento de la soldadura, haciendo que la construcción de la soldadura sea más conveniente y reduciendo los costes de construcción.
Además, algunos datos de pruebas del académico japonés Kunihiko Sato demuestran que mientras la resistencia del metal de soldadura no sea inferior a 80% de la resistencia del material base, se puede garantizar que la unión tiene la misma resistencia que el material base.
Sin embargo, el alargamiento global de la unión con soldaduras de baja resistencia será ligeramente inferior. Bajo carga de fatiga, si no se elimina el exceso de altura de la soldadura, se producirán grietas de fatiga en el zona de fusión. Sin embargo, si se elimina el exceso de altura de la soldadura, se producirán grietas por fatiga en la soldadura de baja resistencia.
Por lo tanto, cuando se utilizan soldaduras de baja resistencia, es necesario realizar algunos trabajos experimentales basados en condiciones específicas.
Como fundador de MachineMFG, he dedicado más de una década de mi carrera a la industria metalúrgica. Mi amplia experiencia me ha permitido convertirme en un experto en los campos de la fabricación de chapa metálica, mecanizado, ingeniería mecánica y máquinas herramienta para metales. Estoy constantemente pensando, leyendo y escribiendo sobre estos temas, esforzándome constantemente por mantenerme a la vanguardia de mi campo. Deje que mis conocimientos y experiencia sean un activo para su empresa.
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