Cómo maximizar la resistencia a la fatiga de las galgas extensométricas eléctricas de lámina

La resistencia a la fatiga de las galgas extensométricas eléctricas es un aspecto sobre el que existe bastante desconocimiento. Algunos de nuestros clientes nos preguntan “¿Cuál es la vida de fatiga máxima de las galgas extensométricas?” o “¿Cuál es la amplitud máxima de deformación admisible y durante cuántos ciclos?”. Los materiales son cada vez más resistentes (composites) y las pruebas de durabilidad requieren el uso de galgas extensométricas robustas.

Las galgas extensométricas eléctricas son una tecnología de sensores de eficacia bien contrastada. Se utilizan en numerosos ensayos destinados a diversos campos, como pruebas de carga estática, pruebas de fatiga en ensayos de componentes o pruebas a escala real, entre otras. El objetivo es diseñar y optimizar materiales con el fin de poder utilizarlos al límite, mejorar su relación peso-resistencia y dar respuesta a las necesidades de nuevos productos de cara al futuro.

Para garantizar que los materiales no fallen, deben probarse con regularidad en máquinas de ensayo, ya sea en forma de componentes o de productos completos, o deben someterse a ensayos móviles que simulen situaciones de esfuerzo.

Un fallo imprevisto de las galgas extensométricas durante los ensayos de durabilidad puede suponer costes y esfuerzo adicionales considerables. Por lo tanto, es muy importante saber cuántos ciclos de carga puede soportar una galga extensométrica y qué grado de precisión puede proporcionar.

Uno de los factores limitantes son los materiales que se utilizan para fabricar las galgas extensométricas eléctricas de lámina. Uno de los componentes más importantes de las galgas de lámina es la rejilla metálica. Esta rejilla metálica en forma de serpentín se deforma de manera intencionada cuando se aplica carga, para generar un cambio en la resistencia óhmica. Este cambio en la resistencia óhmica se puede detectar como un cambio de tensión eléctrica en el puente de Wheatstone.

Los metales que se utilizan más habitualmente para la producción de galgas extensométricas eléctricas son el constantán y el CrNi (Modco). El constantán y el Modco son materiales metálicos y presentan propiedades similares a las de otros materiales de construcción frecuentes, como el acero o el aluminio. Los metales tienen una región de deformación elástica lineal y otra plástica. El gráfico a continuación muestra el comportamiento del acero en términos de esfuerzo y deformación.

Si un material se somete a un esfuerzo únicamente en su región elástica lineal, la deformación es reversible. En cambio, si se le aplica un esfuerzo por encima de su límite de cedencia, el material sufre una deformación plástica. Cuando un material alcanza un valor de deformación específico en esta región, ya no vuelve a su estado inicial cuando desaparece la carga externa: la deformación es irreversible. Este comportamiento típico, bien conocido en el caso del acero, también se da en los materiales que se utilizan en las galgas extensométricas de lámina.

Lamentablemente, el punto de cedencia/límite elástico no se puede ampliar hasta el infinito y ese es uno de los motivos por los que la resistencia a la fatiga de las galgas extensométricas eléctricas es limitada.

De este comportamiento típico podemos deducir que la supervivencia de una galga extensométrica de lámina a un ensayo dependerá del modo en el que se someta al esfuerzo. Las amplitudes bajas alargan claramente la vida de fatiga, ya que la galga se ve sometida al esfuerzo en su región elástica lineal y la deformación del material es reversible. Las amplitudes más elevadas son más críticas. Si se rebasa un límite específico, la galga extensométrica solo se podrá utilizar una vez.

Los gráficos siguientes muestran una posible representación de este comportamiento en una prueba mecánica:

1. Ejemplo de perfil de carga en un ensayo de deformación estático

Cuando se lleva a cabo un ensayo de deformación estático (1.), la galga extensométrica se puede utilizar en una sola dirección (tensión o compresión) y puede superar el límite de cedencia. Seguirá proporcionando un valor de medición válido en la región de deformación plástica. Los valores máximos figuran en el catálogo en PDF de galgas extensométricas eléctricas, y se expresan como una deformación absoluta (elongación). Los valores de tensión y compresión se especifican por separado. En este tipo de ensayos, las galgas extensométricas de lámina de HBM admiten altas deformaciones, de entre el 1% y el 10%.

2. Ejemplo de perfil de carga de un ensayo dinámico

Cuando se utiliza una galga extensométrica en un ensayo de carga dinámico (2.), es decir, aplicando el esfuerzo en direcciones alternas (tensión y compresión), no se puede superar el límite de cedencia del material de la rejilla. Los valores máximos permitidos también se indican en el catálogo de galgas extensométricas, como una vida de fatiga. La vida de fatiga hace referencia a la amplitud máxima admisible en función de los ciclos de carga y la tolerancia de la deriva del punto cero de la señal. La vida de fatiga de las galgas extensométricas de HBM se prueba en ambas direcciones (tensión y compresión).

Un ciclo de carga corresponde a un esfuerzo de tensión y un esfuerzo de compresión hasta la amplitud especificada.

Deformación absoluta

En los ensayos de deformación estática, la galga se puede someter a la deformación especificada en una sola dirección y una única vez durante su vida útil. Una vez que se supera el límite especificado, las probabilidades de que la galga extensométrica se dañe son muy altas.

Extract from data sheet of Y-Series — Extracto de la ficha técnica de la serie Y

El gráfico a continuación muestra la deformación estática máxima que se puede esperar de distintas galgas de la serie Y cuando se cargan al ±5%. En el caso de la serie M, hasta el 1% y, para nuestras galgas precableadas basadas en la serie Y, con deformaciones de hasta el +2,5/-2%.

Vida de fatiga (pruebas dinámicas)

Las galgas extensométricas de lámina que se cargan múltiples veces durante un ensayo de fatiga muestran una fuerte correlación entre el número de ciclos de carga y la amplitud de la carga. Las amplitudes de deformación elevadas del material de la rejilla de medición pueden generar una deformación plástica, que se reconoce como una deriva del punto cero de la señal, incluso con pérdidas de señal. En estos casos, el número de ciclos de carga se puede reducir radicalmente. El gráfico a continuación muestra la dependencia de la resistencia a la fatiga con varios parámetros. La correlación entre la amplitud de carga y los ciclos de carga no es lineal.

La vida de fatiga de cada galga extensométrica de lámina se especifica en el catálogo en PDF de galgas extensométricas.

¿Cómo sé si mi galga extensométrica ha superado su vida de fatiga?

1. Deriva del punto cero de la señal (cambio permanente en la resistencia)

2. Cambio permanente del factor de galga

Un cambio permanente del factor de galga también es un claro indicador de que la galga se ha deteriorado.

3. Interrupciones en la señal de medición

Una señal senoidal interrumpida es un indicio de la presencia de fisuras en la rejilla. Se abren y cierran pequeñas fisuras durante los ciclos de carga, ocasionando pérdidas de señal. En consecuencia, la conexión de la señal eléctrica solamente es parcial.

4. Irregularidades visuales

Las irregularidades y las fisuras que se aprecian a simple vista en la galga extensométrica o la soldadura también son un indicio de deterioro.

Figuras en una unión soldada después de cargas cíclicas

Vida de fatiga de las galgas extensométricas de HBM

El diagrama a continuación muestra la vida de fatiga de las galgas extensométricas eléctricas de las series Y y M para entre 1000 y 10.000.000 de ciclos de carga. Los valores máximos que se pueden obtener dependen de distintos factores, como la calidad de la instalación.

La correlación entre los ciclos de carga y la amplitud de carga máxima no es lineal en absoluto (escala logarítmica).
Todos los valores son medias de una prueba estática.
Se tolera una deriva del punto cero específica para todos los valores medidos (véase el catálogo en PDF)
La serie M de HBM permite alcanzar 100 millones de ciclos de carga con una amplitud de carga de 1000 µm/m.

Las mediciones con galgas extensométricas eléctricas con amplitudes más elevadas (>4000 µm/m) muestran una caída adicional de los ciclos de carga admisibles antes de que la señal presente una deriva importante del punto cero. Las pruebas de esfuerzo con amplitudes muy elevadas tienen como resultado una reducción drástica del número de ciclos de carga. Por ejemplo, el uso de galgas de la serie M solamente para una prueba de carga de dilatación con +5200 µm/m reduce el ensayo a 1000 ciclos. Las pruebas a +7000 µm/m rebajan los ciclos de ensayo hasta 100.

Para hacer ensayos con amplitudes de carga más altas y mayor número de ciclos, también recomendamos nuestras galgas extensométrica ópticas.

¿Qué se puede hacer para maximizar la vida de fatiga de las galgas extensométricas?

1. Minimizar el tamaño y la cantidad de material de soldadura en el punto de apoyo para soldar.

Las zonas más rígidas del material son el punto de falla más probable cuando se ven sometidas a cargas estáticas o dinámicas. Una soldadura profesional con la menor cantidad posible de material en el punto de apoyo para soldar reduce la rigidez e incrementa la vida de fatiga.

2. Soldar el cable a 90° de la dirección de deformación.

Si se reduce al mínimo la superficie de contacto en el punto de apoyo para soldar, se incrementa la resistencia a la fatiga.

3. Emplear cables/hilos de materiales altamente flexibles.

Los cables conectados al punto de apoyo para soldar forman parte del sistema mecánico. El uso de cables rígidos de diámetro grande incrementa la rigidez local. La rigidez se puede reducir mediante el uso de cables flexibles con diámetros reducidos.

4. Utilizar galgas extensométricas con puntos de apoyo para soldar externos.

El uso de puntos de soldadura externos permite emplear galgas extensométricas con hilos. Las galgas extensométricas con hilos ofrecen un grado de flexibilidad máximo. No se produce acumulación de material de soldadura en la propia galga. La soldadura se desplaza al punto de apoyo para soldar.

5. Evitar el uso de materiales de recubrimiento.

Para lograr la máxima resistencia a la fatiga también se debe evitar el uso de materiales de recubrimiento. Estos materiales interactúan con la galga extensométrica, por lo que pueden incrementar la deformación en puntos concretos.

6. Utilizar rejillas de medición grandes.

Una superficie de rejilla mayor aumenta la resistencia a la fatiga (por ejemplo, utilice una rejilla de 6 mm en lugar de rejillas de 3 mm).

7. Garantizar una alta calidad de la unión.

Utilice adhesivos como Z70 o EP310N en capas finas.

8. Utilizar galgas con encapsulado (de serie en la mayoría de las galgas de HBM).

9. Utilizar galgas extensométricas con una vida de fatiga prolongada.

La serie M de HBM se ha desarrollado especialmente para ensayos de materiales con alta resistencia a la fatiga. El material de la rejilla es muy resistente (Modco) y disponen de un soporte especial (resina fenólica). Además cuentan con un sistema de descarga de tracción integrado que desacopla las pestañas de soldadura de la rejilla de medición.

Serie M de HBM

Especially developed for high fatigue life materials
Especialmente desarrollada para materiales con alta resistencia a la fatiga.
Soporte de resina fenólica reforzada con fibra de vidrio.
Disponibles con una resistencia de 350 y 1000 ohmios.
Descarga de tracción integrada.
Temperatura de funcionamiento de entre -200 °C y 300 °C.

HBMShop

Descargo de responsabilidad: Las notas técnicas están diseñadas para ofrecer un resumen rápido. Se actualizan continuamente y, por ello, se modifican con frecuencia. HBM no asume ninguna responsabilidad por la corrección y/o exhaustividad de las descripciones. Nos reservamos el derecho a introducir modificaciones en las características y/o descripciones en cualquier momento, sin previo aviso.