Optimización de la resistencia a fatiga de una estructura cerrada de aluminio mediante unión soldada

Abstract

El presente documento desarrolla una de las consecuencias asociadas al diseño estructural con aleaciones de aluminio en la fabricación de estructuras cerradas sometidas a fatiga, la introducción de tensiones internas que ocasionan un fallo prematuro a cargas dinámicas y la fragilización de la misma por los trabajos de soldadura que conllevan la perdida de características mecánicas en la zona afectada térmicamente para la mayoría de las aleaciones de aluminio. El objetivo primordial del estudio es la mejora mecánica del elemento localizando las regiones a optimizar o bien efectuando una mejora global actuando sobre el proceso de fabricación de estos. Lo que se pretende en el presente estudio es una mejora metalúrgica de las aleaciones de aluminio que conlleve o bien un incremento del factor de seguridad del elemento logrando un aumento del número de ciclos de fatiga o bien una reducción de masa en las estructuras. Los métodos utilizados siguen las actuaciones normalmente utilizadas en los laboratorios metalúrgicos para efectuar exámenes de calidad de cualquier elemento o pieza; estos comprenden desde la comprobación del material suministrado y sus propiedades mecánicas mediante los equipos metalúrgicos pertinentes, hasta el estudio de los elementos resistentes una vez ensayados en bancos de tracción y fatiga así como los estudios de las fracturas provocadas mediante microscopía electrónica de barrido. Para el estudio metalúrgico de los materiales que componen las estructuras cerradas mediante unión soldada se ha fabricado una estructura de geometría arbitraria constante durante todo el estudio que combina diferentes perfiles, aleaciones de forja, de moldeo y distintos tratamientos la cual fija la utilización de aleaciones de aluminio concretas y acota el estudio metalúrgico a las aleaciones presentes. Con objeto de caracterizar la estructura a fabricar se han realizado ensayos de rotura a carga estática y a carga dinámica a fin de establecer la carga estática máxima y el número de ciclos a fatiga que soporta la estructura antes de la rotura. Para la estructura mejorada se han repetido los mismos ensayos a fin de comparar el grado de optimización para distintas modificaciones. Para la relajación de las tensiones internas residuales del proceso de soldadura se ha estudiado la viabilidad de un tratamiento térmico que haga disminuir el módulo de estas. El sobreenvejecimiento causado en muchos de los perfiles de la estructura hace que la realización del tratamiento térmico no sea viable. Desestimado el tratamiento térmico, se propone la modificación y proceso que optimiza mecánicamente el elemento ahora existente contribuyendo en una mejora significativa de las características mecánicas y un aumento del número máximo de ciclos de rotura a fatiga. La modificación que, además optimiza las variables de coste introducido por estructura e incremento de la vida en servicio (aumento del número de ciclos de rotura a fatiga) consiste en la realización de un granallado de pretensión o shot peening en los cordones de soldadura y en su zona de afectación térmica. Para la actuación citada se ha estimado una reducción de las tensiones internas del 14.62% y un aumento de la vida en servicio del 13.92%.