Modelización bidimensional de una unión soldada a tope con penetración completa mediante discretización con elementos finitos y método multipaso

Abstract

El horizonte en el que se enmarca el objetivo del presente trabajo se cifraba en definir un enfoque metodológico que permitiera el análisis preciso de uniones soldadas de geometría compleja. El hecho de que las estructuras actuales se deban plegar a exigencias estéticas mayores motiva que la complejidad de las uniones soldadas crezca exponencialmente. En este contexto, el autor ha tenido ocasión de intervenir personalmente en el diseño, proyecto y construcción de diversas estructuras que han originado ciertos problemas de ejecución siempre relacionados con los espaciamientos de las uniones a soldar. Tales holguras, motivadas evidentemente por la complejidad de las geometrías impuestas, obligan a reflexionar sobre los diferentes procesos termo-mecánicos que se generan en la ejecución de las propias soldaduras. Más allá de que éstas sean realizadas correctamente ¿parcialmente comprobadas por los diversos métodos de ensayos no destructivos- se trata de precisar el efecto de la operación de soldadura sobre la sección estructural e incorporarla al posterior dimensionamiento de dicha sección. Precisamente el hecho de que la geometría de las líneas de soldadura sea compleja produce que los espesores de la garganta alcancen valores muy importantes y por tanto se produzcan dos situaciones, en principio, inesperadas: - El aumento del número necesario de cordones de soldadura ¿debido al importante espesor motivado por la geometría compleja- incrementa la influencia del proceso termo-mecánico inherente a las operaciones de soldadura sobre las secciones estructurales adyacentes. En la literatura especializada aparecen repetidamente recomendaciones acerca de la separación aconsejada ¿relacionadas con la localización de la Zona de Fusión (Fusion Zone, FZ) y la Zona Afectada Térmicamente (Heat Affected Zone, HAZ)- pero no se dice nada acerca de la posibilidad que dicha separación crezca indiscriminadamente. Quizás esta circunstancia venga influenciada por la menor precisión de los ensayos de calidad de las soldaduras que, conforme aumenta el espesor de las mismas, pierden rango de validez. - La deposición del metal de aportación ¿de características mecánicas superiores al metal base- en bandas de espesor superior a los de los perfiles que se quiere unir motiva la generación de unas aristas de rigidez que, en función de la geometría del propio nudo, puede alterar los flujos tensionales del mismo. La ingeniería estructural ha adoptado, de forma prácticamente generalizada, las especificaciones relacionadas con la valoración de los Estados Límite, tanto Últimos como de Servicio. Pero las operaciones de soldadura no han sido implementadas en la caracterización de dichos Estados Límite. Tal circunstancia, como se verá a continuación y se ha comentado anteriormente, no parece revestir importancia en la mayoría de situaciones de rotura pero sí que introduce evidentes incertidumbres en relación al comportamiento en fatiga. Por otra parte, en situaciones de servicio, la existencia de estados tensionales no previstos inducidos por las operaciones de soldadura definirá una situación ineludible de plastificaciones locales que debe ser tenida en cuenta en el correspondiente Estado Límite de Servicio. De hecho, si la ejecución de las operaciones de soldadura no se introduce alguna forma, la valoración de dicho estado resulta poco esclarecedora y apenas realista. Como se comentaba anteriormente, en nudos de geometría compleja se pueden intuir incertidumbres relacionadas con el espesor de garganta de la soldadura. Al unir tubos de pequeño espesor -relativamente respecto al diámetro de los tubos-, el grosor de una línea de soldadura ¿formada por varios cordones yuxtapuestos- con mejores características mecánicas que las diferentes piezas unidas, puede provocar una cierta línea de rigidez que asuma la respuesta estructural de prácticamente la totalidad del nudo. Tal circunstancia sólo puede ocurrir en aquellos casos en los que las líneas de soldadura definan un circuito rígido que permita equilibrar el estado tensional aplicado, aspecto que se produce en muchos de los citados nudos de geometría compleja. En definitiva resulta evidente que cuando la garganta de la soldadura supera cierto valor se generan incertidumbres no resueltas con los métodos actuales de análisis y dimensionamiento. También parece razonable que tal circunstancia no será importante en geometrías no extremadamente complejas y sometidas a cargas de carácter no cíclico. La determinación de ese límite de espesor a partir del cual se generan procesos estructurales inesperados ha motivado la realización de este trabajo. La idea era precisar exactamente cuál era el valor límite ¿si existía dicho valor límite- a partir del cual el comportamiento del nudo soldado resultaba comprometido. Desde una perspectiva ingenieril, además, el propósito último era definir un modelo simplificado que permitiera la caracterización correcta del problema. En un principio se pensó en discretizar un modelo real de una estructura tubular compleja ya ejecutada pero las sucesivas depuraciones del modelo termo-mecánico desarrollado lo desaconsejaron. El hecho de apostar por una técnica de generación de elementos (element birthing technique) con campo de temperaturas prescritas penalizaba enormemente el problema por la gran dificultad de la definición geométrica de la localización de los elementos generados. De la misma manera, la convergencia matemática del problema acoplado aconsejaba la adopción de un modelo geométricamente simple que permitiera caracterizar conceptualmente el problema. Por lo tanto se eligió una probeta de muestra que permitiera la aproximación numérica mediante sucesivas simplificaciones. La geometría de la probeta correspondía a una simplificación de la forma normalizada de las piezas utilizadas en la realización de los ensayos de rotura por tracción. La aproximación al problema real se desarrolló a partir de la generación de dos tipos de modelizaciones: - En primer lugar se definió una geometría tridimensional de las piezas a soldar así como de los elementos que iban apareciendo al ejecutar las operaciones de soldadura. Dichos elementos incorporaban no sólo su presencia másica sino el campo impuesto de temperaturas (fusión inicial y posterior enfriamiento). En este proceso se obvió el cambio de la estructura cristalina puesto que introducía dificultades importantes de implementación y además se estimó, de acuerdo a la bibliografía especializada, que no arrojaría ninguna información adicional respecto al comportamiento que se quería analizar. - En segunda instancia se modelizó una simplificación bidimensional que permitiera un análisis suficientemente riguroso pero más rápido computacionalmente. Una vez que se compararon ambos tipos de modelos se procedió a plantear diferentes problemas que permitieran un análisis más profundo de las variables intervinientes en el proceso de soldadura desarrollado. Se definió un modelo adicional con una separación mayor que la inicialmente considerada, de 4 mm a 10 mm. Igualmente se prestó atención a la variación de la energía introducida durante el proceso de soldadura. Como ya se ha comentado, el objetivo era intentar discernir si el incremento exponencial de los efectos térmicos asociados a las operaciones de soldadura introducía diferencias importantes en el rendimiento mecánico posterior de la pieza Finalmente se procedió a verificar parcialmente los resultados mediante ensayos computacionales de tracción de ambos modelos ¿el tridimensional y el bidimensional-, y se comparó con ensayos experimentales realizados en el laboratorio de la Escuela Politécnica de La Almunia de Doña Godina (EUPLA) sobre probetas ejecutadas de la misma forma que las modelizadas.. Sumario de Capítulos Se ha desarrollado una aproximación progresiva destinada a identificar correctamente los efectos en el comportamiento mecánico de los modelos implementados. Comenzando con una introducción general, el trabajo se ha centrado en el análisis computacional comparando unos modelos tridimensionales precisos con otros más simplificados de carácter bidimensional. Posteriormente ambos tipos de modelos son relacionados y comparados con ensayos reales de rotura. - Capítulo 1: Introducción y sumario de contribuciones. - Capítulo 2: Antecedentes históricos. Introducción y relación de los aspectos básicos de la metalurgia del hierro y del acero, de los conceptos básicos de las secciones estructurales huecas y los procesos de soldadura. - Capítulo 3: Fundamentos del proceso de soldadura. Relación de las aspectos básicos de la tecnología de soldadura, tipos de procesos, tipos de nudos y soldaduras, técnicas de soldadura por arco y descripción de los problemas asociados a la calidad de la soldadura. - Capítulo 4: Física del proceso de soldadura. Revisión de los conceptos teóricos básicos y modelos físicos. - Capítulo 5: Simulación de la soldadura. Historia de la simulación de los procesos de soldadura y revisión de las diversas investigaciones anteriores y análisis computacionales efectuados, incluyendo la descripción de los modelos y la validez de los resultados obtenidos. - Capítulo 6: Modelos tridimensionales de Elementos Finitos. Descripción de los modelos computacionales y discusión de los resultados obtenidos. - Capítulo 7: Modelos bidimensionales simplificados de Elementos Finitos. Descripción de los modelos computacionales, aplicabilidad de las simplificaciones realizadas y discusión de los resultados obtenidos.. - Capítulo 8: Ensayos de Rotura. Descripción de los modelos computacionales y experimentales y de los resultados obtenidos con cada tipo de modelo. Comparación de resultados. Resumen y discusión de resultados. - Capítulo 9: Conclusiones Finales y Recomendaciones. Relación de conclusiones y líneas de trabajo posterior. - Capítulo 10: Resumen en castellano.