ANÁLISIS EXPERIMENTAL Y FRACTOGRÁFICO DE LA ROTURA DE UNA PLATAFORMA ELEVADORA

J. Toribio, V. Kharin, F.J. Ayaso, B. González, J.C. Matos, D. Vergara y M. Lorenzo

Ingeniería de Materiales, Universidad de Salamanca E.P.S., Campus Viriato, Avda. Requejo 33, 49022 Zamora

Correo-e: toribio@usal.es

RESUMEN

En este artículo se presenta el análisis del fallo en servicio de una plataforma elevadora utilizada para realizar labores de poda de árboles. Para determinar las causas de fallo se han empleado diversas técnicas encuadradas dentro de la Mecánica de Fractura que comprenden el análisis de la superficie de fractura, la caracterización mecánica y microestructural del material y la realización de ensayos propios de Mecánica de Fractura, con el fin de determinar el FIT critico y los parámetros que caracterizan la propagación subcrítica de fisuras bajo cargas de fatiga. Los resultados establecen que la causa de la rotura de la plataforma elevadora fue el crecimiento subcrítico de fisuras en la zona de la unión soldada de una de las articulaciones del mecanismo. Este proceso fue causado por deficiencias en la zona soldada donde el cordón presentaba discontinuidades (sólo estaba aplicado por completo en el lado exterior del perfil fracturado), de forma que se produjo un efecto concentrador de tensiones similar al generado por una fisura.

ABSTRACT

This paper presents the analysis of failure in service of a lifting platform used for tree pruning. Different fracture mechanics techniques were used to find the causes of failure, covering the analysis of the fracture surface, the mechanical and microstructural characterization of the material and the performance of fracture mechanics tests to determine the critical SIF and the parameters which characterize material subcritical crack growth under fatigue loading. Results establish that the cause of failure of the lifting platform was the subcritical crack growth in the weld joint at one of the mechanism links. This process was caused by faults in the weld joint where the welding was discontinuous so that it was completed only over the outer side of the fractured beam, thereby producing a stress concentration effect similar to that produced by a crack. PALABRAS CLAVE: Análisis de fallo, Plataforma elevadora, Soldadura. 1. INTRODUCCIÓN El trabajo presentado en este artículo comprende el análisis de la rotura en servicio de una plataforma elevadora utilizada en labores de poda de árboles. La función del sistema mecánico es elevar al operario y a las herramientas de poda hasta una altura aproximada de unos 10 m. El sistema mecánico, mostrado en la Figura 1, presenta dos grados de libertad formados por dos actuadores lineales que transmiten, de forma independiente, el movimiento de elevación a la cesta donde va alojado el operario. La cadena cinemática del mecanismo está formada por dos cuadriláteros articulados (cf. Figura 1: cuadrilátero I y cuadrilátero II) unidos entre sí por un eslabón común. El cuadrilátero articulado inferior (cuadrilátero I) está formado, a su vez, por dos cuadriláteros articulados paralelos (cuadriláteros Ia y Ib) que presentan el mismo movimiento.

El fallo se produjo durante la poda de un árbol con el mecanismo situado en la posición que marca la altura de trabajo (10 m) produciendo la caída al vacío del operario que sufrió daños severos. El análisis post mortem del mecanismo reveló que el fallo se debió a la fractura de una de las barras longitudinales del cuadrilátero Ia en la articulación que unía esta barra con el eslabón común de los cuadriláteros Ia, Ib y el cuadrilátero II, tal como se muestra en el esquema del mecanismo de la Figura 1. La plataforma elevadora estaba sometida durante su vida en servicio a continuos ciclos de ascenso y descenso, de tal forma que los eslabones del mecanismo sufrieron la aplicación de cargas variables en el tiempo. Bajo estas condiciones las uniones soldadas son especialmente sensibles al fallo debido a que el proceso de soldadura afecta a la microestructura del acero, produciendo una degradación de sus propiedades mecánicas en la zona soldada [1-4]. De esta forma los

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procesos de iniciación y propagación de fisuras pueden aparecer a niveles inferiores de carga [5,6], y de hecho existen numerosos casos en los que ésta fue la causa de la rotura catastrófica [7]. Por este motivo la norma establece unas condiciones muy estrictas para realizar este tipo de uniones [8].

Figura 1. Esquema del sistema mecánico de la plataforma elevadora en el que se identifica

el lugar en el que se produjo la fractura.

El análisis del fallo se ha establecido siguiendo las técnicas de la Mecánica de Fractura [9,10], que comprenden diferentes apartados. Inicialmente se realizó un exhaustivo análisis de las diferentes superficies de fractura, prestando una atención especial a las proximidades del cordón de soldadura, así como una inspección macroscópica de la zona de fractura y un análisis detallado de la zona de iniciación de fractura mediante microscopía electrónica de barrido (MEB), para realizar una interpretación post mortem del proceso de fractura. Finalmente se realizó un amplio estudio experimental para caracterizar mecánica y micro-estructuralmente el material de la barra fracturada, así como ensayos propios de la Mecánica de Fractura que permiten determinar el factor de intensidad de tensiones (FIT) crítico del acero y la propagación subcrítica de fisuras bajo cargas de fatiga. 2. CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL

Se ha analizado la microestructura del material del que está construida la plataforma elevadora, obteniéndose que en su práctica totalidad es un acero ferrítico. La Figura 2 muestra los granos de ferrita después de que la superficie de una pequeña muestra de material, adecuadamente preparada, fuera atacada con Nital al 4%. Posteriormente se realizó la caracterización mecánica del material. La dureza y microdureza obtenidas fueron 81 HRB y 164 HV respectivamente, valores típicos de un acero con bajo contenido en carbono.

Figura 2. Microestructura del acero lejos de la soldadura. Sobre probetas no normalizadas, mecanizadas a partir del perfil de la plataforma elevadora, de espesor igual al de los perfiles (4 mm), longitud de 300 mm y anchura entre 21 y 28 mm, se realizaron cuatro ensayos de tracción simple en control de desplazamiento con una velocidad de mordazas de 2 mm/min (Figura 3).

0

100

200

300

400

500

600

0 5 10 15 20

Probeta 1Probeta 2Probeta 3Probeta 4

σ (M

Pa)

ε (%) Figura 3. Curvas tensión-deformación del acero.

Las propiedades mecánicas características del material, obtenidas a partir del ensayo de tracción simple, fueron: módulo de Young (E=214 GPa), límite elástico (σY=388 MPa), resistencia a tracción (σR=493 MPa) y deformación a tensión máxima (εR=13%).

Se realizaron ensayos de fractura en modo I (apertura) sobre cuatro probetas de sección rectangular, cuyo espesor no era suficiente para que el ensayo fuera en condiciones de deformación plana, obteniéndose un valor del FIT crítico KC=81 MPam1/2, característico del material para este espesor de probeta (4 mm). Finalmente se hicieron cuatro ensayos de fatiga en control de carga. Los resultados se ajustaron a la ecuación de Paris da/dN = C(ΔK)m, obteniéndose los coeficientes de Paris C=1.25·10-10 y m=4.24, con unidades tales que al introducir ΔK en MPam1/2 se obtuviera da/dN en mm/ciclo.

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3. DESCRIPCIÓN DEL FALLO

La rotura catastrófica de la plataforma elevadora analizada se produjo a partir de la fractura de la estructura soporte de ésta, justo en la zona correspondiente a la ubicación de los cojinetes para la rotación o articulación del mecanismo (Figura 4). Se ha podido comprobar que por el interior de los perfiles fracturados pasan mangueras o latiguillos hidráulicos de dos clases diferentes: por un lado van los latiguillos correspondientes al suministro y retorno de aceite hidráulico hacia el pistón actuador (Figura 4-b), mientras que por el perfil paralelo pasa un grupo de latiguillos destinados al control de la plataforma elevadora mediante aire comprimido (Figura 4-c).

(a)

(b) (c)

Figura 4. Detalle de los perfiles fracturados en la plataforma elevadora.

De esta manera, la nomenclatura empleada para definir el perfil en el que estaban las mangueras destinadas al control de la plataforma elevadora mediante aire comprimido se ha denominado AC, mientras que el perfil en el que iban las mangueras que funcionaban con aceite hidráulico, reservadas a la elevación tanto de la cesta como del operario que la manipula, se ha denominado HP. Además, para diferenciar la parte interior de la exterior de cada uno de estos perfiles se han añadido a esta notación los términos “i” y “e”, respectivamente. De esta forma, las caras interiores de cada perfil (ACi y HPi) son aquellas que están una frente a otra cuando ambos perfiles se encuentran montados en la plataforma elevadora, mientras que las caras exteriores (ACe y HPe) son las más visibles desde fuera de ésta. Por último, hay que tener en cuenta que los perfiles son huecos y por ello, además de una

superficie exterior presentan también otra interior. De esta manera se ha añadido un apóstrofe para definir las superficies internas de los perfiles analizados (HPe', HPi', ACe' y ACi'). En la Figura 5 se muestra un ejemplo de la notación empleada.

Figura 5. Detalle de la notación empleada

Se ha observado que la zona de fractura presenta características comunes en los dos perfiles, ya que en ambos casos se ha producido justo en la zona de unión con los cojinetes, de tal forma que éstos se han separado totalmente del perfil correspondiente (Figura 6). Conviene, por lo tanto, comentar brevemente el proceso de fabricación de esta unión, que se divide en dos etapas. En primer lugar, para el alojamiento de los cojinetes en los extremos de ambos perfiles se ha tenido que realizar en éstos, seguramente mediante corte oxiacetilénico, un agujero pasante con un diámetro ligeramente superior al del cojinete. Una vez realizado este vaciado de material, los cojinetes se han colocado en el perfil y a continuación se han fijado al mismo mediante un cordón simple de soldadura por arco voltaico.

(a) (b)

Figura 6. Zona fracturada en cada perfil: a) HP, b) AC. Se ha comprobado que en ambos perfiles HP y AC el cordón de soldadura abarca la totalidad de la longitud circunferencial de la unión perfil-cojinete en las superficies exteriores de ambos perfiles (HPe, HPi, ACe y ACi). Por el contrario, al observar las superficies internas de los perfiles huecos (HPe', HPi', ACe' y ACi') se ha visto que el cordón de soldadura no comprende toda la circunferencia de la unión perfil-cojinete. En las Figuras 7 y 8 se exponen algunas fotografías que corroboran este hecho. Además, se han realizado en la Figura 9, a modo de esquema aclaratorio, varios dibujos que representan la unión de soldadura parcial entre

HPi HPe

HPe'HPi'

ACi'

ACe ACi

ACe'

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perfil y cojinete, presentándolos tanto antes como después de producirse la pérdida de la integridad estructural de la plataforma elevadora. Se puede observar que en las superficies internas del perfil hueco HP la zona soldada perfil-cojinete abarca una longitud de circunferencia de 90º aproximadamente, mientras que la longitud circunferencial correspondiente a los 270º restantes no presenta ningún cordón de soldadura. Por otro lado, en el caso del perfil AC los cordones de soldadura situados en las superficies internas tampoco abarcan toda la circunferencia de unión perfil-cojinete pero, aún así, alcanzan un arco de circunferencia mayor que en los perfiles anteriores, siendo éste cercano a 180º. A partir de un análisis visual de la superficie de fractura se confirma que la rotura se ha iniciado precisamente en la unión del cordón de soldadura con el material base (perfil), creciendo dicha fisura por fatiga hasta alcanzar un tamaño crítico que fomenta la fractura final del perfil. Como ejemplo representativo del inicio o incubación de la fisuración por fatiga se indica en la Figura 10 la zona situada por encima de la franja de color rojo. Se puede apreciar a simple vista que se trata de una zona de fractura por separación o despegue del cordón de soldadura y el material base (en este caso el perfil considerado). En la parte superior del perfil se observa otra superficie de fractura distinta, ésta formada en último lugar, como resultado de la fractura final o separación del cordón de soldadura con el material base. El mismo fenómeno se encuentra en la parte inferior derecha de la fotografía de la Figura 10-a.

(a) (b)

Figura 7. Detalle del cordón de soldadura completo en las superficies exteriores: a) HPe, b) ACe.

(a) (b)

Figura 8. Detalle del cordón de soldadura parcial en las superficies interiores: a) perfil HP, b) perfil AC.

ANTES DESPUÉS

HPe'

materialdesgarrado

soldadura e'soldadura e

HPi'

materialdesgarrado

soldadura i'

ACe'

soldadura e

materialdesgarrado

soldadura e'

ACi'

soldadura i'

soldadura i

materialdesgarrado

Figura 9. Esquema de uniones soldadas parcialmente.

(a) (b)

Figura 10. Detalles del perfil HP y del cojinete en la zona de inicio de la fisuración por fatiga.

Conviene señalar la existencia de fisuras en los laterales de ambos perfiles en una dirección radial con relación al eje de los cojinetes, o bien en una dirección longitudinal con relación a los propios perfiles (Figura 11). Éstas parecen incubarse en las fisuras iniciales originadas por fatiga en la unión soldada cordón-perfil. Además, se ha observado que estas fisuras laterales se encuentran presentes en ambas caras de los perfiles considerados y atraviesan parcialmente el espesor de los mismos, pudiéndose apreciar que son más grandes por las caras exteriores de los perfiles que por sus caras interiores.

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Se puede presuponer que estas fisuras laterales se han producido por fatiga y además, en vista de su ubicación física entre la zona de inicio de fisura por fatiga y la zona de despegue soldadura-perfil (Figura 12), es razonable admitir que son una prolongación de la fisura inicial por fatiga de la unión soldada cordón-perfil, que se desvía del camino original de propagación al encontrar una zona de alta concentración de tensiones (Figuras 11-b y 12). Puede observarse que la propagación de la fisura principal por fatiga posee una ramificación en su dirección de avance al alcanzar una micro-entalla, producida durante la extracción de material del perfil para permitir el alojamiento del cojinete (probablemente mediante corte oxiacetilénico).

(a) (b)

Figura 11. Fisura por fatiga en dirección radial en HPi.

Figura 12. Fisura por fatiga en dirección radial en HPe.

4. DISCUSIÓN La causa de la fractura catastrófica de esta plataforma elevadora comienza con el inicio de la fisuración por fatiga en aquellas zonas de la unión cojinete-perfil que sólo poseen cordón de soldadura por la cara exterior del perfil, puesto que existe ausencia parcial de aproximadamente un 50% de éste en las superficies internas de ambos lados de los dos perfiles. Esto supone la pérdida de sujeción lateral del cojinete sobre el perfil, quedando así la unión cojinete-perfil debilitada por el efecto entalla (o fisura) derivado de dicha pérdida de sujeción y produciendo una peligrosa concentración de tensiones en esta zona.

Además, en la zona próxima al cordón de soldadura el acero presenta degradación térmica. La Figura 13 muestra el cambio microestructural de esta zona al compararla con los granos ferríticos del resto de material (cf. Figura 2). El análisis de la microdureza en el material cercano al cordón de soldadura proporcionó un valor de 175HV, superior al del resto de material, y que permite concluir que el cambio microestructural del material en esta zona lo hace más duro y frágil que el del resto de la estructura, y por tanto más peligroso.

Figura 13. Microestructura del acero

cerca de la soldadura. La fisura inicial se propaga en dos direcciones, por un lado en la dirección del espesor del perfil y por otro de forma circunferencial a lo largo de la unión soldada cojinete-perfil. A la altura del eje del cojinete se observan ramificaciones del camino de fisura laterales en la dirección del eje longitudinal del perfil considerado. La superficie de fractura de estas fisuras laterales (Figura 14), cuyos micromecanismos de fractura no se han visto alterados por efectos medioambientales, analizada con el microscopio electrónico de barrido mostró estrías típicas de fatiga en dirección perpendicular al avance del frente de fisura (Figura 15), confirmando que la fisura inicial inductora del fallo catastrófico de los perfiles ocurrió por una solicitación cíclica.

Figura 14. Superficie de fractura por fatiga.

Fisura lateral

Fisura soldadura-perfil

Propagación por fatiga

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Figura 15. Avance del frente de fisura por fatiga.

A continuación de la fisuración inicial por fatiga se encuentra una superficie de fractura que se ha denominado zona de desgarro, cuya superficie de fractura indica una separación bastante rápida del cordón de soldadura con el material base (perfil). Esta zona posee un aspecto más brillante que la zona de fisuración inicial por fatiga, probablemente debido a que ha estado menos tiempo expuesta a la intemperie con relación a la anterior. Finalmente, cuando la fisura por fatiga circunferencial a lo largo del cordón de soldadura alcanzó un tamaño crítico (ocupando aproximadamente 180º de la unión soldada, fatiga inicial + zona de desgarro) ocurrió la propagación crítica de la misma hasta la separación total de las superficies (Figura 16), mostrando características típicas de fractura final por cortante doble. Este tipo de fractura es propia de materiales con un espesor pequeño, como el caso de los perfiles de la plataforma elevadora.

Fatiga inicial

Zona de desgarro

y

x

z

Fisura lateral

Fractura final

Fatiga inicialFatiga inicial

Zona de desgarroZona de desgarro

y

x

zy

x

z

Fisura lateralFisura lateral

Fractura finalFractura final

Figura 16. Iniciación y propagación de la fisuración

hasta la fractura final.

5. CONCLUSIONES La investigación realizada ha permitido extraer las siguientes conclusiones: 1. El análisis de fallo ha demostrado que éste se ha

producido por la ausencia de cordón de soldadura sobre la cara interior del perfil en su unión

circunferencial con el cojinete, precisamente la zona donde aparecen las tensiones máximas en dicha unión.

2. Esto ha generado la concentración de tensiones

suficiente para superar los límites de resistencia del material y provocar de este modo la fisuración (mediante un mecanismo de fatiga) de dicha unión, i.e., la separación entre cojinete y perfil.

3. Finalmente, la fisura ha crecido de forma subcrítica

por fatiga hasta alcanzar un tamaño crítico en el momento en el que sucedió la fractura catastrófica de la plataforma elevadora, causada así por un defecto de fabricación en la soldadura.

AGRADECIMIENTOS Los autores desean hacer constar su agradecimiento a la empresa “IBÉRICA DE PODAS® Y FORESTACIÓN, S.L.” por la financiación del trabajo.

REFERENCIAS [1] Somers, B.R., Pense, A.W., “Welding Failure

Analysis”, Mater. Charact. 33, pp. 295-309, 1994.

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[3] Silveira, E., Irisarri, A. M., “Estudio de las causas de la rotura prematura de un ventilador eólico”, Anal. Mec. Fract. 25, pp. 769-774, 2008.

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[5] Silveira, E., Atxaga, G., Erauzkin, E., Irisarri, A. M., “Estudio de las causas de la rotura prematura de un álabe de turbina de aviación”, Anal. Mec. Fract. 24, pp. 551-556, 2007.

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[7] Cho, H.-N., Lim, J.-K., Choi, H.-H., “Realiability-based fatigue failure analysis for causes assessment of a collapsed steel truss bridge”, Eng. Fail. Anal. 8, pp. 311-324, 2001.

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[9] ASM Handbook Volume 6, “Welding, Brazing, and Soldering”, 2007.

[10] ASM Handbook Volume 11, “Failure Analysis and Prevention”, 2007.

Avance de fisura por fatiga

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