Evaluación mecánica y microestructural de conexiones soldadas con pernos de cortante de acero al carbono convencional y acero inoxidable

Por qué importan las partes ocultas de los puentes

Cada día, millones de personas cruzan puentes de carretera sin darse cuenta de que su seguridad depende de pequeños pasadores metálicos llamados pernos de cortante. Estos pernos atan la losa de hormigón a las vigas de acero inferiores, ayudando a que la estructura actúe como una unidad rígida. A medida que las agencias de carreteras adoptan aceros nuevos y resistentes al óxido para reducir los costes de mantenimiento, deben asegurarse de que estos conectores invisibles sigan funcionando de forma fiable. Este estudio plantea una pregunta simple pero crucial: cuando los puentes utilizan aceros inoxidables modernos, ¿deben cambiar también los pernos —de acero al carbono ordinario a acero inoxidable— para mantener esos puentes tanto fuertes como duraderos?

De vigas oxidadas a acero resistente al óxido

Las vigas tradicionales de los puentes están hechas de acero al carbono, que es resistente pero vulnerable a la corrosión, especialmente en zonas expuestas a sal de carretera, bruma marina o largos periodos de humedad. Las agencias han probado aceros que forman una capa protectora de óxido, pero en entornos ricos en cloruros esa capa puede fallar, llevando a reparaciones inesperadas. Una opción más reciente, conocida como Grado 50CR, es un acero inoxidable con bajo contenido de cromo diseñado para resistir la corrosión durante décadas con poco mantenimiento. Muchos propietarios de puentes quieren combinar este acero con detalles igualmente duraderos, pero eso plantea una preocupación: si un perno ordinario de acero al carbono se suelda sobre una viga de acero inoxidable, los dos metales disímiles pueden formar pequeñas celdas eléctricas en presencia de sal y humedad, acelerando la corrosión del metal menos noble. Una solución evidente es cambiar los propios pernos a acero inoxidable, pero los códigos dan poca orientación sobre cómo se comportan esos pernos inoxidables cuando se sueldan en componentes reales de puentes.

Probando cómo diferentes pernos soportan la carga

Los investigadores fabricaron y ensayaron tres tipos de conjuntos perno‑placa que reproducen lo que se usa en puentes. Un grupo empleó el emparejamiento convencional de un perno de acero al carbono suave sobre una placa de acero al carbono. Un segundo grupo soldó el mismo perno suave sobre una placa Grado 50CR, creando una junta intencionadamente “desajustada”. El tercer grupo usó pernos de acero inoxidable 316L sobre placas Grado 50CR, representando un sistema totalmente inoxidable y resistente a la corrosión. Con dispositivos personalizados en una máquina de ensayos universal, tiraron de pernos individuales en tensión y empujaron pernos pareados en cortante, midiendo la carga que soportaba cada conjunto y cuánto se estiraba o deslizaba antes de fallar. En las tres configuraciones, las resistencias generales a cortante y a tracción fueron en términos generales similares, pero los pernos de acero inoxidable destacaron por su capacidad para estirarse mucho más antes de fracturarse, mostrando mayor ductilidad y absorción de energía.

Escudriñando las soldaduras a escala microscópica

La resistencia por sí sola no cuenta toda la historia, por lo que el equipo cortó juntas soldadas y las examinó al microscopio, y luego empleó una prueba de dureza de escala fina para mapear cómo cambiaba el material cerca de la soldadura. En juntas carbono‑sobre‑carbono y carbono‑sobre‑inoxidable encontraron estructuras muy duras y en forma de agujas llamadas martensita concentradas en la zona afectada por el calor alrededor de la soldadura. Estas regiones mostraron una dureza marcadamente elevada, a veces superando niveles que los ingenieros tratan como señales de advertencia de comportamiento frágil. En la configuración mixta con perno de carbono sobre placa 50CR, la zona de soldadura se volvió especialmente dura, lo que implica una mayor fracción de fases frágiles que podrían fisurarse en condiciones de servicio exigentes. Por el contrario, las juntas con perno inoxidable sobre placa inoxidable también desarrollaron zonas duras, pero la dureza máxima fue menor y se distribuyó de forma más gradual, lo que sugiere una soldadura más tolerante. Es importante notar que el equipo no detectó una fase problemática llamada sigma, que puede degradar la resistencia a la corrosión en algunas soldaduras inoxidables.

Lo que revelan las fracturas sobre los márgenes de seguridad

La mayoría de los especímenes fallaron en el propio perno con el clásico desgarro dúctil, que es lo que prefieren los diseñadores: significa que la barra de acero básica cede antes de que la soldadura se rompa de repente. Sin embargo, unos pocos casos, especialmente en el grupo inoxidable‑sobre‑inoxidable, se fracturaron en o cerca de la soldadura. Los autores relacionan estas excepciones con defectos locales de soldadura o bolsillos de microestructura extremadamente dura, enfatizando que incluso en un sistema generalmente robusto, una mala calidad de soldadura puede desplazar la falla desde el perno hacia la junta. Sus mediciones muestran que el tamaño de la soldadura, el área de fusión y los picos locales de dureza ayudan a determinar si una conexión falla de forma gradual y visible o de manera más frágil. Ese conocimiento refuerza las reglas de soldadura existentes que insisten en un control adecuado de la energía térmica, el asiento del perno y la limpieza, y sugiere que afinar los parámetros de soldadura para los sistemas inoxidables podría reducir aún más el riesgo de zonas frágiles.

Por qué los pernos inoxidables sobre inox son prometedores

Para los propietarios de puentes, la conclusión principal es tranquilizadora. Usar pernos de acero inoxidable 316L en vigas Grado 50CR ofrece un rendimiento a cortante y tracción que iguala o supera al de los pernos tradicionales de acero al carbono, evitando a la vez los problemas de corrosión galvánica que surgen al combinar metales disímiles. Aunque las soldaduras en cualquier material pueden desarrollar puntos duros o defectos si no se controlan correctamente, el estudio indica que las placas Grado 50CR pueden soldarse con éxito sin formar fases especialmente peligrosas, y que los pernos inoxidables pueden aprovechar su alta ductilidad para proporcionar conexiones resistentes y fiables. En términos sencillos, cambiar a pernos inoxidables sobre inox parece ser un camino práctico hacia puentes de mayor durabilidad y menor mantenimiento, siempre que los procedimientos de soldadura se califiquen y controlen cuidadosamente.

Cita: Sajid, H.U., Slein, R. Mechanical and microstructural assessment of conventional carbon and stainless steel shear stud welded connections. Sci Rep 16, 7049 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37051-7

Palabras clave: corrosión en puentes, pernos de acero inoxidable, puentes compuestos, microestructura de soldadura, Grado 50CR