3. Clase de Uniones Soldadas

Dr.Ing. F. Alva Dávila

UNIONES

UNIONES SOLDADASUNIONES SOLDADAS

La soldadura es un proceso de unión entre metales por la acción del

calor, con o sin aportación de material metálico nuevo, dando

continuidad a los elementos unidos.

Es necesario suministrar calor hasta que el material de aportación

funda y una ambas superficies.

VENTAJAS

Simplicidad de diseño

Reducción de peso, debido a la menor cantidad de planchas

refuerzo

Rapidez de ejecución, que se traduce en el ahorro de tiempo

Economía de material ( se descarta pernos y remaches)

DESVENTAJAS

La soldadura es bastante difícil su ejecución y a veces imposible

obtener la seguridad y garantía absoluta de la perfecta ejecución del

trabajo de soldado.

TIPOS DE SOLDADURAS

SOLDADURAS A TOPE: Son las realizadas sobre uniones a tope,

independientemente de la forma del chaflán, que podrá ser plano, en

bisel, en V

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Diseño de Elementos de Maquinas I

UNIONES

SOLDADURA EN ÁNGULO: Son las que unen dos superficies que

forman entre sí un ángulo aproximadamente recto en una unión en T,

a solape o en esquina.

TERMINOLOGÍA

La soldadura en ángulo estará definida por su garganta o por su lado,

se debe tener en cuenta que ambas dimensiones están relacionadas,

así:

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UNIONES

PROCEDIMIENTOS Y METODOS DE SOLDADURA

SOLDADURA POR FORJA

Está limitada al fierro y al acero, es la más antigua. Consiste en

calentar las partes a unir, hasta el estado plástico por algún medio, tal

como una fragua, un horno, etc. Y ponerla en contacto rápidamente

aplicando presión, como por ejemplo el martillado que puede ser

mecánico o manual. No necesita material de aporte. Actualmente está

ligada a talleres de herrería y a la construcción de algunos recipientes

a presión.

SOLDADURA OXIACETILENICA (AUTOGENA)

El calor necesario para realizar la fusión de las planchas o piezas a

unir y luego aplicar o no el material de aporte, se consigne por la

combustión de una mezcla de acetileno (C2H2) con el oxígeno (O2),

alcanzando una temperatura de 3100°C. Ambos gases se mezclan en

proporciones apropiadas en un soplete proyectado y constituido en

forma tal, que el soldador tiene la posibilidad de regular por completo

la llama ajustándola a las necesidades del trabajo.

Puede producir tres tipos de llama:

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(A) Es de llama normal (neutra) con partes iguales de O2 y C2H2 usada

para soldar.

(B) Produce una llama (reductora) con exceso de C2H2 usada para

calentar las planchas.

(C) Tiene un exceso de O2 que origina una llama oxidante inadecuado

para realizar una soldadura correcta, se usa para hacer cortes.

SOLDADURA TERMITICA

Se basa en una reacción química exotérmica, llamada reacción

termitica, de aquí el nombre que lleva y consiste en mezclar un óxido

metálico con aluminio pulverizado cuya ignición produce la reacción

exotérmica en un tiempo brevísimo, obteniéndose temperaturas que

usualmente pueden llegar a los 2 600°C.

Se basa en la reacción de Fe2O3 con Aluminio puro:

La reacción siguiente 3Fe2O3 +8Al = 4Al2O3 +9Fe+calor

Es aplicable a secciones pesadas de grandes dimensiones, por

ejemplo, en ejes partidos, rodillos de laminaciones de acero,

bastidores de trenes de laminación, etc.

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UNIONES

SOLDADURA POR RESISTENCIA ELECTRICA

Este tipo de soldadura usa como fuente de calor o energía, corriente

alterna, continua o energía almacenada. Su uso se justifica en la

industria por su rapidez y buena apariencia externa como por ejemplo

en fábricas de muebles de acero, refrigeradoras, y en especial en la

industria automotriz.

Mediante este método, las partes a soldar son calentadas hasta un

estado plástico por medio del calor desarrollado con el pasaje de una

elevada intensidad de corriente a través de las partes a unir que son

sometidas a presión entre los electrodos portadores de la corriente y

que se fabrican generalmente de cobre posible el uso de

transformadores realizando cualquier combinación entre la intensidad

y el voltaje.

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UNIONES

Espesor máximo de la plancha t = 1/16”

Se denomina plancha delgada, si: t < 1/16”

Se denomina plancha gruesa, si: t > 1/16”

Su aplicación es en la hojalatería.

Si se pone rodillos se forma una costura y el tiempo debe ser lo

necesario para que caliente. Si se ponen barras, se llama soldadura

por puntos.

SOLDADURA POR ARCO ELECTRICO

El calor es producido por una chispa o arco que se produce entre el

electrodo y la pieza a soldar, se usa como fuente de (calor) energía la

electricidad ya sea continua o alterna.

CORRIENTE ALTERNA: El flujo de corriente varía de una dirección a

la apuesta, Este cambio de dirección se efectúa 100 a 120 veces por

segundo. Este cambio de dirección, el intervalo se conoce por ciclos

(50, 60 ciclos)

CORRIENTE CONTINUA: El flujo de corriente conserva siempre una

misma dirección del polo negativo al positivo.

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POLARIDAD: En la corriente continua es importante saber la

dirección del flujo de corriente. La dirección del flujo de corriente en el

circuito de soldadura es expresada en término de POLARIDAD.

POLARIDAD DIRECTA O NORMAL: Se llama así, cuando el porta-

electrodo es conectado al polo (-) de la fuente de poder y el cable de

tierra a polo (+). Con esto se logra mayor velocidad de deposición del

material de aporte.

POLARIDAD INVERTIDA: Se llama así, cuando el porta- electrodo es

conectado al polo (+) de la fuente de poder y el cable a tierra al polo

(-). Con esto se logra mayor penetración, es utilizado para soldar

materiales no ferrosos como el Al, Cu y aleaciones.

ELECTRODOS: Se llama así a las varillas empleadas como

materiales de aporte y que son por lo general de la misma

composición de las planchas a soldar.

La varilla tiene un revestimiento que es el material de aporte, lo

protege del O2 del medio ambiente y que permite un enfriamiento lento

de la junta. También sirve como estabilizador de arco.

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UNIONES

IDENTIFICACION DE LOS ELECTRODOS

La Americana Welding Society (AWS) Sociedad de Soldadores

Americanos, ha establecido un código con letras y signos numéricos

en el que se identifican fácilmente.

La AWS, al referirse a electrodos de acero dulce o de baja aleación,

antepone una “E” a los cuatro o cinco signos numéricos.

E - XXX X X

Soldadura Resistencia (A) Posición de (B) Tipo de

Eléctrica mínima, Su Soldar Corriente

Existen más procedimientos de soldadura como son:

MIG

MAG

TIG

SOLADADURA POR HIDROGENO ATOMICO

SOLADURA POR RAYOS LASER

POR ARCO SUMERGIDO, ETC.

(A) Posición de soldar: 1. Toda posición

2. Plana y horizontal

3. Plana solamente

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Plana <> sobre piso

Horizontal <> en la pared

Sobre cabeza

(B) Indica el tipo de corriente y otros 0,1,2,3 -> existen hasta el 9.

Cuando la última cifra es CERO, la fuente de energía de la penúltima

cifra.

Ejemplo: E- 6020, indica C.A ó C.C, e indicar la posición a soldar

E- 6010 con C.C con P.I ó C.A.

ESFUERZOS PERMISIBLES EN UNIONES SOLDADAS

1.- Se toma igual al metal base en los siguientes casos:

a.- Para elementos sometidos a esfuerzos de tracción ó compresión paralela al eje del cordón soldado a tope con penetración completa.

b.- Para elementos sometidos a esfuerzo de tracción, normal al cordón soldado a tope con penetración completa.

c.- Para elementos sometidos a esfuerzos de compresión, normal al cordón soldado a tope con penetración completa ó parcial.

d.- Para elementos sometidos a esfuerzo de corte en la garganta de un cordón soldado a tope con penetración completa ó parcial.

2.- De acuerdo a la especificación AWS D2.0-69, se puede tomar:

St = 0,3 Sut y Ss = 0,3 Sut

Para los siguientes casos:

a.- Para elementos sometidos a esfuerzos de corte en la garganta

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efectiva de un cordón de soldadura de filete paralelo a la

dirección de la carga (carga longitudinal).

b.- Para elementos sometidos a esfuerzos de tracción normal al

cordón soldado a tope con penetración parcial.

c.- Para elementos sometidos a esfuerzos de corte en el área

efectiva de una soldadura de tapón.

3. En caso de no disponer de soldador calificado, preferible sería

utilizar:

Para E- 60XX : Ss = 13 600 PSI Para E-70XX : Ss = 15 800 PSI

CALCULO DEL CORDÓN DE SOLDADURA DE FILETE

RECOMENDACIONES GENERALES

1. El tamaño mínimo del cordón de soldadura de filete, en lo posible deberá estar sujeto a lo indicado en la tabla (1).

TABLA 1: TAMAÑO MINIMO DEL CORDON DE FILETE

ESPESOR DE LA PLANCHA MASGRUESA EN PULGADAS

TAMAÑO MINIMO DEL CORDON DE FILETE EN PULGADAS

t ¼ 1/8

1/4 < t ½ 3/16

1/2 < t ¾ 1/4

3/4 < t 1 ½ 5/16

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1 1/2 < t 2 ¼ 3/8

2 1/4 < t 6 1/2

t > 6 5/8

NOTA: El tamaño del cordón de soldadura de filete no debe exceder del espesor de la plancha más delgada. Se pasa por alto para aquellos casos que por cálculo de esfuerzos se requiera.

2. El tamaño máximo de un cordón de soldadura de filete soldado

a lo largo de los bordes a unir será:

para: t < 1/4" w t

t 1/4" w t - 1/16"

3. Donde sea posible, el cordón de soldadura de filete debe

terminar "doblando una esquina" con una longitud no menor de

2w, en especial, en cordones sometidos a cargas excéntricas.

4. La longitud efectiva de un cordón de soldadura de filete es la

longitud total del cordón de tamaño completo, incluyendo la

longitud "doblada en una esquina".

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UNIONES

5. La longitud efectiva mínima de un cordón de soldadura de filete

debe ser: Lw 4w

6. La longitud efectiva de un segmento de cordón de soldadura de

filete en cordones intermitentes, deberá ser: Lw 4w , y no menor

de 1 1/2".

7. El traslape mínimo en cordones de soldadura de filete deberá ser:

L 5t y no menor de 1". Siendo t = espesor de la plancha más

delgada.

8. Cuando se requiera tener la resistencia completa por medio de

cordones de soldadura de filete a ambos lados con metales bases

de espesores diferentes, es necesario que: w = 0,75 t.

Siendo, t = espesor de la plancha más delgada.

9. Cuando se diseñe un miembro que sirva solamente para dar rigidez

y no se pueda evaluar las cargas que actúan sobre él, se puede

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UNIONES

considerar: w = 0,25 t a w = 0,375 t, para cordones soldados a

ambos lados.

10. Para el caso de vigas fabricadas de ala ancha, se recomienda:

w 2/3 t, siendo, t = espesor del alma.

11. Para los casos particulares de perfiles estructurales en ángulo ó

canal se recomienda que w = 3/4t, t = espesor del ala del perfil

SOLDADURA DE FILETE

Las soldaduras de filete se clasifican de acuerdo con la dirección de la

carga en cordón longitudinal y cordón transversal.

1. CORDON LONGITUDINAL

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UNIONES

De la figura el valor de x:

El esfuerzo de corte es: (a)

Derivando con respecto a e igualando la derivada a CERO para

hallar el máximo:

De donde:

Reemplazando en (a) , tenemos:

Haciendo:

2. CORDON TRANSVERSAL

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UNIONES

De la figura:

El esfuerzo de corte es:

(b)

Derivando con respecto a e igualando la derivada a CERO para

hallar el máximo:

Es la diferencia de cosenos, entonces:

Reemplazando en (b), tenemos:

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UNIONES

Acabamos de demostrar que una soldadura de filete, cuando se

somete a una carga transversal el esfuerzo es menor que cuando se

somete a una carga longitudinal.

Por esta razón, el esfuerzo en una soldadura de filete se considera

como un esfuerzo cortante en la garganta, cualquiera que sea la

dirección de aplicación de la carga.

Entonces:

CARGAS ACTUANTES EN CORDONES DE SOLDADURA DE

FILETE

1. CARGA DE CORTE DIRECTO. La línea de acción pasa por el

centro de gravedad del cordón de soldadura.

El esfuerzo de corte es:

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UNIONES

De donde:

fw =

= Carga de corte por unidad de longitud

P = Carga actuante

Lw

= Longitud efectiva

2. CARGA DE CORTE PRODUCIDA POR EL MOMENTO

TORSOR

De donde:

fw = Carga de corte por unidad de longitud

T = Momento torsor actuante

c = Distancia del eje del centro de gravedad al extremo del cordón

Jw = Momento de inercia polar de línea

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UNIONES

3. CARGA DE CORTE PRODUCIDA POR MOMENTO FLECTOR

,

,

De donde:

fw = Carga de corte por unidad de longitud

M = Momento flector actuante

c = Distancia del eje del centro de gravedad al extremo del cordón

Iw = Momento de inercia de línea con respecto a uno de los ejes

coordenados.

Carga resultante de corte:

Para el caso de cargas que actúan en planos mutuamente

perpendiculares:

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UNIONES

Tamaño del cordón de soldadura de filete:

CORDONES DE SOLDADURA DE FILETE INTERMITENTE

Cuando por cálculo, el tamaño del cordón resulta ser pequeño, por

debajo del valor mínimo recomendado, se puede hacer uso de

cordones intermitentes.

En este caso, ambos cordones debe tener la misma resistencia, entonces:

La intermitencia se calcula por la expresión:

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UNIONES

La tabla 4, permite seleccionar el paso y la longitud de los cordones

de soldadura intermitente.

CORDONES DE SOLDADURA SOMETIDOS A CARGAS DE FATIGA

El procedimiento de cálculo es similar que bajo carga estática. Se

evalúa en base a la carga máxima actuante y los valores de los

esfuerzos permisibles, se tomará lo recomendado en la tabla (5).

Usaremos la teoría de falla de GOODMANN modificada:

Obtendremos una fórmula matemática, para la evaluación del

esfuerzo, usando las relaciones siguientes:

; ;

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UNIONES

Reemplazando en la ecuación de Goodmann:

Ordenando la ecuación:

Quedando finalmente:

Porque Su y Se dependen del material

También, se puede calcular como:

Según AWS D2.0-69, para ASTM A36 a A50 y 0,5x106 a 2x106 ciclos

El esfuerzo permisible a corte es:

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