Uniones soldadas

Proceso para analizar una unión soldada mediante elementos finitos con ANSYS El artículo forma parte de la serie Tipos de Uniones Estructurales: Uniones atornilladas Uniones soldadas, la que nos ocupa… Uniones por interferencia En el proceso de unión entre componentes por  soldadura, el calentamiento y enfriamiento de la zona soldada genera tensiones residuales y deformaciones […]

Proceso para analizar una unión soldada mediante elementos finitos con ANSYS

El artículo forma parte de la serie Tipos de Uniones Estructurales:

En el proceso de unión entre componentes por  soldadura, el calentamiento y enfriamiento de la zona soldada genera tensiones residuales y deformaciones geométricas. Además, la zona afectada térmicamente desempeña un papel fundamental en la determinación de la resistencia de una unión soldada, ya que cambia las propiedades del material original y se ve afectada la resistencia del mismo después de la operación de soldadura.

Por lo tanto nuestro objetivo en este post, será analizar las tensiones producidas en la zona de la soldadura y comprobar que ésta resiste los esfuerzos a los que se ve sometida.

Análisis por elementos finitos

A continuación se presenta el desarrollo del modelo de elementos finitos, la creación de la unión soldada y la configuración del modelo. Se presentan tres formas distintas de simular la unión (de menor a mayor exactitud). Este mismo proceso aquí descrito se podrá extrapolar al analizar cualquier tipo de soldadura.

  1. Modelado de las chapas con elementos tipo Shell.
  2. Modelado de las chapas y el cordón con elementos Solid
  3. Modelado de las chapas la zona afectada termicamente con elementos Solid

1. Modelado de las chapas con elementos tipo Shell

Geometría

En este caso se modelan las chapas de forma simplificada mediante superficies medias, de esta forma se podrá mallar con elementos tipo Shell. El cordón no se tiene en cuenta en este tipo de cálculo, ya que de lo que se trata es de simplificar al máximo la geometría, aprovechando las propiedades de los elementos Shell. En las siguientes imágenes se pueden observar tanto la geometría como el mallado usa en ella. Son elementos en forma de cuadrilatero con un tamaño suficiente para capturar los resultados

Condiciones de contorno

Los apoyos y cargas definidos son los indicados en la siguiente figura. Se mantendrán estas condiciones de contorno en todos los casos analizados, para poder  hacer una comparativa de resultados adecuada.

Tensión de Von Mises

Se analizarán las tensiones obtenidas en el cálculo, haremos foco en la unión entre los componentes para ver las diferencias entre los diferentes modelos. La lógica indica que debería salir un valor mayor en el modelado de la unión con elementos tipo placa, al no tener en cuenta la geometría de los cordones de soldadura, que hacen un reparto más uniforme de las tensiones en la zona.

La tensión máxima alcanza un pico de 256 MPa. Como se preveía, ocurre en la zona de unión entre las placas.

Factor de seguridad

Se analiza el factor de seguridad en las diferentes zonas, teniendo en cuenta que se considera el mismo material en las chapas (material base con limite elástico de 275 MPa).

Existe una pequeña zona en la que el factor de seguridad frente al límite elástico es menor que 1 (concretamente 0,97) que se puede ver en la segunda imagen.

2 Modelado de las chapas con elementos tipo solid

Geometría

Se modelan las chapas junto con el cordón de soldadura, en este caso utilizando elementos tipo Solid. De esta forma se pretende analizar el efecto de los cordones en el cálculo. En cualquier caso, no se tendrá en cuenta en esta simplificación el efecto que produce la temperatura en la soldadura, el endurecimiento de la zona afectada térmicamente y la diferencia entre las características mecánicas entre la chapa base y el material de aportación. Es decir se modela el cordón y las chapas como un mismo material.  En las siguientes imágenes se pueden observar tanto la geometría como el mallado usa en ella. Son elementos tipo hexaedro con un tamaño suficiente para capturar los resultados

 

Condiciones de contorno

Se mantienen las condiciones de contorno del primer análisis

Tensión de Von Mises

Se analizarán las tensiones obtenidas en el cálculo, haremos foco en la unión entre los componentes para ver las diferencias entre los diferentes modelos. En este caso las tensiones se reparten de una forma mucho más uniforme en la zona de la soldadura, desplazándose el máximo de tensión a la zona adyacente al cordón.

La tensión máxima alcanza un pico de 249 MPa en la zona que acaba al cordón de soldadura, algo menor a la obtenida en el cálculo anterior con elementos Shell.

Factor de seguridad

Se analiza el factor de seguridad en las diferentes zonas, teniendo en cuenta que se considera el mismo material tanto en las chapas como en el cordón (material base con limite elástico de 275 MPa).

Existe una pequeña zona en la que el factor de seguridad frente al límite elástico es muy cercano a 1 (concretamente 1,03) que se puede ver en la segunda imagen.

 

3. Modelado de las chapas la zona afectada térmicamente con elementos Solid

En este caso, el modelo de la unión se desarrolla utilizando tres tipos diferentes de material:

  • Metal base (Límite elástico 275 MPa)
  • Metal de la zona afectada térmicamente (Límite elástico 340 MPa)
  • Metal de aportación de la soldadura (Límite elástico 400 MPa)

Esto es debido a que en el proceso de soldadura, como hemos contado en la introducción, se genera una gran cantidad de calor que produce una variación en las propiedades cristalográficas del material y por lo tanto de sus propiedades mecánicas.

Geometría

El modelo se separa en tres partes principales: cuerpo, zona afectada térmicamente y material de aportación de la soldadura. De esta forma se puede aplicar un tipo de material a cada una de las partes. En este caso sí se tendrá en cuenta el efecto de la temperatura en la soldadura, el endurecimiento de la zona afectada térmicamente y la diferencia entre las características mecánicas entre la chapa base y el material de aportación etc. Se puede ver la geometría de la unión y el mallado utilizado con elementos Solid a continuación.

 

Condiciones de contorno

Se mantienen las condiciones de contorno del primer análisis

 

Tensión de Von Mises

Se analizarán las tensiones obtenidas en el cálculo, haremos foco en la unión entre los componentes para ver las diferencias entre los diferentes modelos. En este caso, las tensiones deberían ser un poco menores a las obtenidas con los elementos shell y similares a las obtenidas con los elementos solid, teniendo en cuenta el cordón de soldadura, pero con continuidad de material.

La tensión máxima alcanza un pico de 305 MPa en la zona adyacente al cordón de soldadura.

Factor de seguridad

Se analiza el factor de seguridad en las diferentes zonas, teniendo en cuenta que se considera un material distinto en cada una de las partes

No existen zonas en las que el factor de seguridad frente al límite elástico es menor que 1, ya que el mínimo obtenido es de 1,32.

Conclusiones

Se han realizado tres análisis sobre cómo modelar una soldadura, en la que tenemos la misma geometría y las mismas condiciones de contorno.

La conclusión principal es que las tensiones obtenidas disminuyen ligeramente mientras que el coeficiente de seguridad aumenta cuanto más preciso es el modelo. Es decir, se obtienen unas tensiones mayores en la simplificación con elementos shell que en el modelo sólido en el que se incluyen los cordones de soldadura. Por lo tanto podríamos decir qué incurrimos en un error en la obtención de resultados al simplificar el modelo, aunque eso sí, será por el lado de la seguridad.

Por último destacar que en el caso de uniones soldadas hay que tener siempre presente si puede haber fatiga en el componente, ya que ésta comienza con una pequeña grieta que se propaga. Debido al proceso propio de la soldadura se pueden producir porosidades junto a concentraciones de tensión y variación de la estructura cristalográfica incluyendo además una distribución no uniforme de ésta. Estos fenómenos afectarán directamente a la resistencia de la unión y por lo tanto será necesario realizar un cálculo a fatiga del componente.

En Ingeniería SAMAT somos expertos en simulación del diseño y cálculo teniendo en cuenta todos estas variables, para poder después fabricarlo con total seguridad y sin errores

¿Hablamos?

Hemos redactado más artículos para ti
Compartir

Deja un comentario

Tu dirección de correo electrónico no será publicada. Los campos obligatorios están marcados con *


DirveWokrs Pro Software
Digipara Liftdesigner Software
SolidWorks Software
ANSYS Software