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Prediction of plastic deformation zone width in SAW-welded structural steel butt joints using numerical simulations and analytical models

Este artículo presenta una metodología que combina simulaciones numéricas basadas en un modelo de fuente de calor de disco gaussiano y aproximaciones analíticas para predecir con precisión el ancho de la zona de deformación plástica en juntas a tope de acero estructural soldadas por SAW a través de diversos espesores de placa.

Autores originales: Tomasz Urbański, Maciej Taczała

Publicado 2026-10-16

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CC BY 4.0

Autores originales: Tomasz Urbański, Maciej Taczała

Artículo original bajo licencia CC BY 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Esta es una explicación generada por IA del artículo a continuación. No ha sido escrita ni avalada por los autores. Para mayor precisión técnica, consulte el artículo original. Leer descargo de responsabilidad completo

Cuando se construyen estructuras de acero masivas, como cascos de barcos o plataformas petrolíferas en alta mar, estas se ensamblan fusionando placas de metal mediante un calor intenso. Este proceso, conocido como soldadura, crea un ciclo complejo de calentamiento y enfriamiento rápidos. A medida que el metal se funde y luego se solidifica, se expande y se contrae, generando fuerzas internas invisibles que pueden deformar toda la estructura. Si estas distorsiones no se predicen y gestionan, la embarcación final podría no encajar correctamente, lo que requeriría correcciones costosas o incluso comprometería su seguridad. Los ingenieros han dependido durante mucho tiempo de potentes simulaciones por computadora para mapear estos ciclos térmicos, pero ejecutar estos modelos detallados para cada una de las soldaduras en un barco grande es, a menudo, demasiado lento y computacionalmente costoso. Para resolver esto, los investigadores buscan formas más sencillas de estimar la parte más crítica del proceso: el ancho del área donde el metal ha sido estirado o comprimido permanentemente por el calor. Esta zona, donde el metal cede y cambia de forma irreversiblemente, dicta cuánto se doblará el resto de la estructura.

En un estudio reciente, investigadores de la Universidad Tecnológica de la Pomerania Occidental en Szczecin, Polonia, se propusieron crear un método más rápido y fiable para predecir el tamaño de esta zona de deformación en juntas de acero soldadas mediante una técnica llamada soldadura por arco sumergido. En lugar de ejecutar miles de simulaciones computacionales lentas y detalladas para cada escenario posible, el equipo utilizó una estrategia estadística llamada diseño de experimentos. Trataron su modelo computacional como una "caja negra", alimentándola con combinaciones específicas de variables del mundo real —como la cantidad de calor aplicado, el espesor de las placas de acero y la resistencia del metal— para observar cómo cambiaba el resultado. Se centraron en dos categorías distintas de placas de acero: las más delgadas, típicas de los cascos de los barcos, que oscilaban entre los 6 y los 26 milímetros de espesor, y las placas mucho más gruesas utilizadas en estructuras marinas, que iban de los 30 a los 50 milímetros. Para cada categoría, realizaron una serie de simulaciones cuidadosamente planificadas para recopilar datos sobre cómo respondía la zona de deformación plástica ante diferentes condiciones.

Los investigadores descubrieron que el tamaño de esta zona deformada no es aleatorio; sigue un patrón predecible impulsado principalmente por dos factores: la energía térmica total introducida en la soldadura y el espesor de la placa. Al analizar los resultados de sus simulaciones, desarrollaron dos fórmulas matemáticas separadas, o modelos de regresión, que pueden estimar el ancho de la zona deformada con alta precisión. Para las placas de construcción naval más delgadas, el modelo mostró que el ancho del área afectada crece significamente a medida que aumenta el aporte de calor, pero también está fuertemente influenciado por el espesor de la placa y la resistencia del propio acero. Para las placas más gruesas de uso marino, la relación era ligeramente distinta; si bien el aporte de calor y el espesor seguían siendo los impulsores dominantes, la temperatura inicial del metal antes de la soldadura —a menudo llamada precalentamiento— no desempeñó un papel estadísticamente significativo en la determinación del ancho final de la zona deformada dentro del rango probado. Este hallazgo sugiere que, si bien el precalentamiento es crucial para prevenir grietas, no cambia drásticamente el tamaño general del área que sufre la distorsión permanente.

Para asegurar que sus nuevas fórmulas fueran fiables, el equipo comparó sus predicciones tanto con sus propias simulaciones computacionales detalladas como con métodos analíticos establecidos y antiguos que se encuentran en los libros de texto de ingeniería. Los resultados fueron claros: los nuevos modelos derivados de sus simulaciones eran mucho más precisos que las fórmulas tradicionales. Al probarse contra los complejos datos computacionales, las nuevas ecuaciones predijeron el ancho de la zona deformada con errores muy pequeños, a menudo dentro de unos pocos milímetros. En contraste, los métodos más antiguos a veces fallaban por un margen amplio, particularmente en las placas más delgadas donde las condiciones son más complejas. Los investigadores señalaron que, aunque sus modelos son altamente precisos dentro de los rangos específicos de calor y espesor probados, no son una solución universal para todos los escenarios de soldadura posibles. Son mejores utilizados como una herramienta de ingeniería rápida para estimar la zona deformada en la construcción estándar de barcos y plataformas marinas, permitiendo a los diseñadores anticipar las distorsiones sin tener que esperar días de procesamiento computacional.

El estudio concluye que, al separar el análisis en categorías de placas delgadas y gruesas y centrarse en las variables más influyentes, los ingenieros pueden ahora utilizar estas ecuaciones simplificadas para tomar mejores y más rápidas decisiones durante la fase de diseño. Este enfoque cierra la brecha entre las simulaciones de alta fidelidad y lentas y la necesidad de estimaciones rápidas y prácticas en el mundo real. Confirma que, si bien la física de la soldadura es compleja, la distorsión resultante puede controlarse con las herramientas predictivas adecuadas, asegurando que las estructuras de acero masivas del mundo marítimo permanezcan rectas, precisas y seguras.

Resumen Técnico: Predicción del Ancho de la Zona de Deformación Plástica en Juntas a Tope de Acero Estructural Soldadas por SAW

Planteamiento del Problema
La predicción precisa de las distorsiones inducidas por la soldadura es crítica para el diseño y la fabricación de estructuras de acero a gran escala, particularmente en aplicaciones marinas y offshore. Un prerrequisito fundamental para los métodos simplificados de predicción de distorsión —específicamente aquellos basados en la teoría de la deformación inherente y cargas equivalentes— es la determinación precisa del ancho de la zona de deformación plástica ( $b_{pl}$ ), también conocida como la zona de deformación inherente. Si bien los análisis tradicionales de elementos finitos termo-elasto-plásticos (TEP-FEM) ofrecen una alta precisión, su costo computacional suele ser prohibitivo para estructuras complejas. Por el contrario, los modelos analíticos existentes a menudo dependen de supuestos simplificados que pueden no capturar plenamente las complejas interacciones termomecánicas en la soldadura por arco sumergido (SAW) de aceros estructurales. Existe la necesidad de relaciones predictivas robustas y computacionalmente eficientes que consideren parámetros tecnológicos y de diseño específicos para estimar $b_{pl}$ con precisión a través de diferentes rangos de espesor de placa.

Metodología
El estudio empleó un enfoque híbrido combinando simulaciones numéricas, diseño de experimentos estadísticos (DOE) y análisis de regresión para desarrollar modelos predictivos de $b_{pl}$ .

Modelado Numérico: Se realizaron análisis térmicos transitorios utilizando ANSYS con un modelo de fuente de calor Gaussiana superficial. Las simulaciones cubrieron dos categorías distintas de espesor de placa basadas en el comportamiento térmico:
- Placas delgadas ( $b_{pl-tp}$ ): 6–26 mm, representativas de cascos de barcos marinos.
- Placas gruesas ( $b_{pl-hp}$ ): 30–50 mm, representativas de estructuras offshore.
  El modelo utilizó una malla no uniforme con refinamiento local cerca de la soldadura para capturar con precisión los gradientes de temperatura. El límite de la zona plástica se definió mediante la "primera temperatura de fluencia" ( $T_{Y1}$ ), un umbral donde comienza la deformación irreversible, calculado con base en el límite elástico del material y las propiedades de expansión térmica.
Diseño de Experimentos (DOE): Se implementó un diseño Box–Behnken (BBD) de tres niveles con 15 corridas experimentales para cada grupo de placas.
- Variables Independientes para Placas Delgadas: Aporte de calor de soldadura ( $q_l$ ), límite elástico del metal base ( $\sigma_{YB}$ ) y espesor de la placa ( $h$ ).
- Variables Independientes para Placas Gruesas: Aporte de calor de soldadura ( $q_l$ ), temperatura inicial/precalentamiento ( $T_0$ ) y espesor de la placa ( $h$ ).
- Variable Dependiente: El ancho de la zona de deformación plástica ( $b_{pl}$ ).
Verificación del Modelo: El modelo numérico se verificó frente a los resultados de referencia de Grams [17] para materiales ASTM A36 y AISI 316L, mostrando una concordancia dentro del 8–10%.
Análisis de Regresión: El análisis estadístico utilizando el software STATISTICA generó ecuaciones predictivas polinómicas. La significancia de las variables y los términos de interacción se evaluó con un nivel de confianza del 95%.
Análisis Comparativo: Los modelos de regresión desarrollados se compararon con las formulaciones analíticas existentes de Ueda et al. [4, 5] y con los resultados de la simulación numérica para evaluar la precisión predictiva.

Contribuciones Clave y Resultados

Desarrollo de Ecuaciones Predictivas: El estudio derivó dos modelos de regresión distintos con alta validez estadística ( $R^2_{adj} \approx 0.97$ para placas delgadas y $\approx 0.98$ para placas gruesas).
- Modelo de Placa Delgada ( $b_{pl-tp}$ ): Identificó el aporte de calor de soldadura ( $q_l$ ), el espesor de la placa ( $h$ ) y el límite elástico ( $\sigma_{YB}$ ) como factores significativos, incluyendo términos de interacción ( $q_l \cdot \sigma_{YB}$ , $q_l \cdot h$ , $\sigma_{YB} \cdot h$ ) y un término cuadrático para el espesor ( $h^2$ ).
- Modelo de Placa Gruesa ( $b_{pl-hp}$ ): Identificó el aporte de calor de soldadura ( $q_l$ ) y el espesor de la placa ( $h$ ) como los factores dominantes, con un término de interacción significativo ( $q_l \cdot h$ ) y un término cuadrático para el aporte de calor ( $q_l^2$ ). Notablemente, la temperatura de precalentamiento ( $T_0$ ) resultó ser estadísticamente insignificante dentro del rango probado (100–200 °C) y fue excluida de la ecuación final.
Factores Dominantes: El análisis confirmó que el aporte de calor de soldadura es el parámetro más influyente que gobierna el ancho de la zona plástica en ambos grupos, seguido por el espesor de la placa. La interacción entre el aporte de calor y el espesor fue crítica en ambos modelos.
Exactitud y Validación:
- Los modelos de regresión demostraron una excelente concordancia con los datos de la simulación numérica. Para las placas delgadas, 12 de 15 casos tuvieron errores de predicción dentro de 0–5 mm; para las placas gruesas, todos los 15 casos estuvieron dentro de este rango.
- Al compararse con las fórmulas analíticas de Ueda et al., los modelos de regresión desarrollados mostraron errores de predicción promedio sustancialmente menores. Los modelos de Ueda exhibieron mayores discrepancias, particularmente para placas delgadas bajo condiciones de alto aporte de calor (errores de hasta 32 mm en algunos casos), mientras que los modelos propuestos mantuvieron errores generalmente por debajo de 10 mm.
Transición del Régimen Térmico: El estudio justificó físicamente la clasificación de las placas en categorías de delgadas (6–26 mm) y gruesas (30–50 mm) observando una transición distinta en la distribución de temperatura y los mecanismos de flujo de calor entre los 26 mm y 30 mm de espesor.

Significancia y Reivindicaciones
El artículo sostiene que la metodología propuesta proporciona una alternativa confiable y computacionalmente eficiente a las simulaciones completas de TEP-FEM para estimar el ancho de la zona de deformación plástica en juntas a tope de acero estructural soldadas por SAW. Al integrar el DOE con simulaciones numéricas, los autores establecieron que son necesarios modelos predictivos separados para placas delgadas y gruesas debido a los diferentes comportamientos térmicos.

Los autores enfatizan que estas relaciones predictivas son particularmente valiosas para:

Predicción de Distorsión Simplificada: Proporcionar parámetros de entrada precisos (específicamente el ancho de la zona de deformación inherente) para los métodos de predicción de distorsión basados en carga equivalente y deformación inherente, que son ampliamente utilizados en el diseño preliminar de estructuras marinas y offshore.
Aplicación de Ingeniería: Ofrecer una herramienta que equilibra la precisión y la eficiencia, adecuada para las etapas de diseño y fabricación donde se requiere una evaluación rápida.
Optimización de Procesos: Permitir a los ingenieros comprender la sensibilidad del ancho de la zona plástica a parámetros clave como el aporte de calor y el espesor de la placa sin recurrir a simulaciones costosas.

El estudio concluye que, si bien los modelos son robustos dentro del dominio experimental investigado, debe evitarse la extrapolación más allá de los rangos definidos de aporte de calor y espesor de placa para mantener la precisión de la predicción. El trabajo no pretende reemplazar el FEM detallado para el diseño final, sino servir como una aproximación validada y basada en la física para el parámetro intermedio crítico del ancho de la zona de deformación plástica.

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