Integridad estructural de uniones soldadas - 2

Propagación de grietas en uniones soldadas en acero al carbono de baja aleación sometidas a cargas cíclicas.


Sergio Antonio Muñoz Pinzón

La calidad de las soldaduras es un asunto ampliamente discutido y uno de los parámetros claves en el aseguramiento de la integridad de una estructura. Las soldaduras no solamente unen dos partes, también proveen una fuente de defectos, y una ruta continua para la propagación de una grieta a través de un componente. La calidad de la soldadura tiene el potencial de ser extremadamente variable; un buen control solo se obtiene para las soldaduras en el taller. Inevitablemente muchas soldaduras deben ser realizadas en el sitio, haciendo mucho más difícil de controlar la calidad. En ductos, por ejemplo, hay muchos kilómetros de soldadura, y no es posible garantizar que todas las uniones están libres de defectos [1].

La mayoría de estructuras soldadas se encuentran sometidas a un entorno que puede afectar su integridad, algunas estructuras inclusive pueden ser expuestas a ambientes corrosivos como el agua de mar, ácidos y químicos provenientes de derrames o de los fluidos de proceso [2]. Además también son sometidas a cargas de tipo variables cuyo origen pueden ser las vibraciones, oleaje, vientos, cambios de presión o temperatura, arranques y paradas de equipo entre otras que pueden originar un fenómeno conocido como fatiga [3]. La fatiga asociada a cargas de tipo variable o de carácter cíclico que ocurren durante la vida y servicio de un componente estructural y que pueden originar la falla prematura a niveles de carga inferiores a los que se presentaría la falla en condiciones de carga estática [4].


El entendimiento de la ley de crecimiento de una grieta de fatiga es esencial para predecir el progreso de fractura por fatiga en el diseño con tolerancia al daño. La velocidad de propagación de la grieta de fatiga está gobernada por un parámetro de las cargas el cual es una función del esfuerzo aplicado, σ, y la longitud de la grieta, a, así [5]

da/dN=f(σ,a)

La vida a la fatiga en materiales estructurales comprende dos periodos, el periodo de iniciación de grieta y el periodo de crecimiento de grieta hasta la falla. El primer crecimiento de microgrietas es un fenómeno superficial, en una etapa posterior la microgrieta penetra en los alrededores a lo ancho en la superficie y en profundidad alejándose de la superficie, entonces el crecimiento de la grieta deja de depender de la condición superficial para pasar a ser función de la resistencia al crecimiento de grietas como una propiedad del material. Se han desarrollado varios modelos para explicar y predecir el crecimiento de las grietas en fatigas, los métodos mecanísticos con modelos basados en la mecánica de la fractura [6], los métodos de dislocaciones que responde a la pregunta de cómo y dónde se generan las dislocaciones que explican la plasticidad, este método es aplicable para describir el comportamiento de cambios en el tamaño de grieta a escala de los parámetros de la red cristalina y no a escala macroscópica [7]. Por último se han desarrollado los métodos numéricos, principalmente el método de los elementos finitos con el que se han simulado el crecimiento de grieta en dos y tres dimensiones, este método ha servido como base para los diseños en la industria aeroespacial [8].


La fatiga de uniones soldadas generalmente se considera un problema específico, es un problema diferente de los problemas de fatiga estructural normales debido a la variedad de técnicas y la gran cantidad de aplicaciones [9]. Para evaluar la fatiga en uniones soldadas se han desarrollado enfoques globales que se basan en esfuerzos nominales junto con las curvas S-N y los enfoques locales que se basan en el esfuerzo local y no en el nominal, los enfoques locales son indispensables cuando en existen diferencias en los parámetros usados en el enfoque global, lo que sucede en la mayoría de los casos o cuando no existen datos para ser utilizados en el enfoque global [10]. Recientemente el IIW ha publicado recomendaciones para la evaluación de fatiga en uniones soldadas utilizado el enfoque del esfuerzo de entalla, este considera el esfuerzo local en la entalla formada por el pie o la raíz de la soldadura con base en la teoría de la elasticidad, usualmente este esfuerzo es calculado por el método de los elementos finitos, los resultados están correlacionados con el radio ficticio de la entalla usado en el modelo; a pesar de esto el método resulta útil para evaluar la severidad del nivel de esfuerzo en las diferentes uniones soldadas en la etapa de diseño y supone el uso del método de elementos finitos como una herramienta de diseño [11].

En la soldadura se presentan fenómenos que afectan la integridad estructural como desalineamientos y concentradores de tensiones, defectos en la unión soldada, no uniformidad en las propiedades mecánicas en el metal de aporte y en la zona afectada por el calor respecto del metal base y esfuerzos residuales; la unión soldada entonces presenta complejidades particulares que se reflejan en la dispersión de los resultados de los ensayos para determinar la influencia de todos estos factores en la integridad estructural de la misma por lo que la investigación aún está lejos de considerarse completa [12]. Todos estos problemas se acentúan en presencia de un entorno corrosivo, la tasa de crecimiento de las grietas es bastante alta y la falla eventual de la estructura resulta inevitable; la mecánica de fractura resulta útil para desarrollar métodos de prueba, sin embargo en presencia de un entorno agresivo la tasa de crecimiento de grieta vs. el cambio del factor de intensidad de tensiones (da/dN vs ∆K) puede variar en función de parámetros como composición química y microestructura, frecuencia y forma de onda de la carga, potencial electroquímico, forma de la grieta, geometría de la unión soldada [3].



[1] Milne, I., Karihaloo, B., Ritchie, R.O. Structural Integrity Assurance. Comprehensive structural integrity, cyclic loading and fracture, vol. 1. Elsevier; 2003. p. 1–25.[SIA] Milne, I.,

[2] Hobbacher, A. (2008). Recommendations for fatigue design of welded joints and components. IIW Document XIII-1823-07. International Institute of Welding.

[3] M.A. Wahab, M. Sakano (2001), Experimental study of corrosion fatigue behaviour of welded steel structures, Journal of Materials Processing Technology.

[4] Casas-Rodriguez, J. P. (2008). Damage in adhesively bonded joints: sinusoidal and impact fatigue (Doctoral dissertation, © JP Casas-Rodriguez)

[5] Tanaka, K. (2003). Fatigue Crack Propagation. Comprehensive structural integrity, cyclic loading and fracture, vol. 4. Elsevier;. p. 95–127

[6] Tanaka, K., Akiniwa Y. (2003). Modelling Fatigue Crack Growth: Mechanistic Models. Comprehensive structural integrity, cyclic loading and fracture, vol. 4. Elsevier; p. 165–190.

[7] Pippan, R. (2003). Modelling Fatigue Crack Growth: Dislocation Models. Comprehensive structural integrity, cyclic loading and fracture, vol. 4. Elsevier; p. 191–208.

[8] Newmann J.C. (2003). Modelling Fatigue Crack Growth: Mechanistic Models. Comprehensive structural integrity, cyclic loading and fracture, vol. 4. Elsevier; p. 165–190.

[9] Schijve, J. (2014). The significance of fatigue crack initiation for predictions of the fatigue limit of specimens and structures. International Journal of Fatigue, 61, 39-45.

[10] Radaj, D., Sonsino, C. M., & Fricke, W. (2006). Fatigue assessment of welded joints by local approaches. Woodhead publishing.

[11] Fricke, W. (2012). IIW recommendations for the fatigue assessment of welded structures by notch stress analysis: IIW-2006-09. Woodhead Publishing.

[12] Zerbst, U., Ainsworth, R. A., Beier, H. T., Pisarski, H., Zhang, Z. L., Nikbin, K., ... & Klingbeil, D. (2014). Review on fracture and crack propagation in weldments–A fracture mechanics perspective. Engineering Fracture Mechanics, 132, 200-276.