Uniones soldadas y pegadas.pdf

Area de Ingeniería Mecánica.Area de Ingeniería Mecánica.Area de Ingeniería Mecánica.Area de Ingeniería Mecánica. Departamento de Tecnología.Departamento de Tecnología.Departamento de Tecnología.Departamento de Tecnología. Campus de Riu Sec. 12071Campus de Riu Sec. 12071Campus de Riu Sec. 12071Campus de Riu Sec. 12071----Castellón. Spain.Castellón. Spain.Castellón. Spain.Castellón. Spain.

Autor/es: Ximo Sancho i Bru ([email protected]) Código: ADM-SOLD1 Categoría: Diseño de Máquinas Tema: Uniones soldadas y pegadas Creación:20-Dic-1997 Ultima revisión: 17-oct-02- Ximo Sancho

TEMA 4. UNIONES SOLDADAS Y PEGADASTEMA 4. UNIONES SOLDADAS Y PEGADASTEMA 4. UNIONES SOLDADAS Y PEGADASTEMA 4. UNIONES SOLDADAS Y PEGADAS 4.1. Uniones soldadas. Tipos 4.1. Uniones soldadas. Tipos 4.1. Uniones soldadas. Tipos 4.1. Uniones soldadas. Tipos 4.2. Dimensionado de uniones soldadas4.2. Dimensionado de uniones soldadas4.2. Dimensionado de uniones soldadas4.2. Dimensionado de uniones soldadas 4.3. Uniones pegadas4.3. Uniones pegadas4.3. Uniones pegadas4.3. Uniones pegadas 4.1. Uniones soldadas. Tipos 4.1. Uniones soldadas. Tipos 4.1. Uniones soldadas. Tipos 4.1. Uniones soldadas. Tipos La soldadura es un proceso de unión permanente entre metales. La adherencia de las piezas se produce por aporte de calor, pudiéndose producir con aplicación de presión o sin ella, y con adición de metal o sin ella. Este tipo de unión se utiliza a menudo en la fabricación de elementos de máquinas, sobre todo cuando se trata de elementos de sección delgada, ya que supone un ahorro por la eliminación de sujetadores múltiples y la automatización de la fabricación. Otras ventajas que posee son la estanqueidad que se puede conseguir, y la buena relación resistencia/peso. Es uno de los métodos más empleados para la unión de elementos en estructuras como puentes o naves, y para el caso de máquinas se utiliza para los bastidores como alternativa a la fundición. Las piezas soldadas no resultan siempre más baratas, pero sí, adecuadamente diseñadas para la soldadura, considerablemente más ligeras que las fundidas para la misma rigidez y resistencia. Por el contrario, la calidad de la unión soldada es de difícil comprobación, y la fabricación exige especial experiencia (deformaciones de soldadura y tensiones de contracción). Hay que tener en cuenta la posibilidad de cambios metalúrgicos en las zonas cercanas a la junta durante el proceso de soldadura debido al calor, así como las tensiones residuales a causa de la sujeción y el proceso de enfriamiento, las cuales pueden ser reducidas con un tratamiento térmico posterior. Existen multitud de posibles configuraciones a la hora de posicionar las piezas a unir y de colocar el cordón de soldadura. Las disposiciones fundamentales vienen reflejadas en la siguiente tabla:

2 Tema 4: Uniones soldadas y pegadas

Tipos de uniones según DIN 1912Tipos de uniones según DIN 1912Tipos de uniones según DIN 1912Tipos de uniones según DIN 1912 Unión solapadaUnión solapadaUnión solapadaUnión solapada Las piezas se solapan entre sí

Unión a topeUnión a topeUnión a topeUnión a tope Las piezas se sitúan en un plano común

Unión paralelaUnión paralelaUnión paralelaUnión paralela Las piezas se superponen en una superficie amplia

Unión sesgadaUnión sesgadaUnión sesgadaUnión sesgada Una pieza topa con uno de sus extremos sobre la superficie de otra, con la que forma un ángulo distinto de 90º

Unión en TUnión en TUnión en TUnión en T De las dos piezas una hace tope con su extremo sobre la superficie de la otra, con la que forma un ángulo recto

Unión de esquinaUnión de esquinaUnión de esquinaUnión de esquina Dos piezas se une por uno de sus extremos respectivos, formando un ángulo cualquiera

Unión en cUnión en cUnión en cUnión en cruzruzruzruz Dos piezas situadas en un mismo plano, topan con uno de sus extremos respectivos en una tercera pieza intermedia con la que forman ángulos rectos

Unión múltipleUnión múltipleUnión múltipleUnión múltiple Tres o más piezas se unen entre sí por uno de sus extremos respectivos, formando ángulos de cualquier valor

Según la forma de colocar el cordón podemos diferenciar:

Longitudinal Transversal En ángulo

Según la forma de la sección recta del cordón de soldadura, se pueden distinguir:

Aligerada o hueca Plana Abombada

Y por último, según el tipo de ranura practicado para la soldadura:

Tema 4: Uniones soldadas y pegadas 3

60º

2

2 60º

a) b)

60º 45º c) d)

a) Con extremos planos; b) Ranura en V; c) Ranura en doble V; d) Ranura en media V a) Se deja un espacio para albergar el material de relleno. Es aplicable a placas de

espesor delgado, no permitiendo esta configuración transmitir grandes esfuerzos. b) Se emplea para unir placas moderadamente gruesas, permitiendo una buena

transmisión del esfuerzo. El ángulo es inferior a 90º, y se deja una separación para que rebose el material.

c) Se utiliza para placas muy gruesas. El ángulo es inferior a 90º. d) Es similar a la configuración en V, siendo interesante cuando una de las partes es de

difícil accesibilidad. El ángulo es inferior a 45º

a) Juntas en T; b) Ranuras en U y en J; c) Juntas en L; d) De bordes paralelos


4.2 Dimensionado de uniones soldadas 4.2 Dimensionado de uniones soldadas 4.2 Dimensionado de uniones soldadas 4.2 Dimensionado de uniones soldadas El cordón de soldadura es el encargado de mantener unidas las piezas, transmitiendo los esfuerzos entre ellas. Como se ha visto en el apartado anterior, existen numerosas configuraciones posibles a la hora de realizar una soldadura, aunque podemos hablar de dos configuraciones básicas elementales, en las que se basan todas las demás: juntas a tope y a solape. Habrá por tanto que buscar la mejor configuración para que el cordón cumpla con su cometido. Se verá en este apartado el análisis de ambas configuraciones. 4.2.1. Definiciones Garganta (a) del cordón: altura del mayor triángulo isósceles que puede inscribirse en la sección del cordón.

Longitud eficaz (l) del cordón: longitud total menos los cráteres en los extremos. Sección resistente (S) o de garganta: a·l . Todos las comprobaciones resistentes en el caso de soldaduras se realizan sobre la sección de garganta.


a

al

4.2.2. Uniones con soldadura a tope Se trata de soldaduras en donde se unen tope con tope las piezas, quedando el material de adición entre ellas, normalmente en ranuras practicadas para conseguir mayor superficie de contacto y habilitar hueco para el material de adición. El material de adición se aplica en exceso (rebosando), formando el espesor de refuerzo que luego se puede eliminar en caso de que sea necesario, mediante mecanizado. Si la junta va a estar sometida a cargas variables (de fatiga), conviene eliminar el espesor de refuerzo para eliminar posibles concentraciones de tensiones:

a = espesor de garganta

Concentración de tensiones

Espesor de refuerzo

También para evitar concentraciones de tensiones, cabe tener en cuenta durante la realización de este tipo de soldaduras:

- En una soldadura a tope de chapas de distinta sección, la de mayor sección se ha de adelgazar en la zona de contacto, con pendiente no superior al 25%, para obtener una transición suave de la sección (MV-103).

e1e2

25%

- La soldadura a tope no debe producir discontinuidad en la sección, y su sobreespesor s no será mayor del 10% del espesor e de la chapa más delgada (MV-103).


S≤e/10 e

S

El análisis de tensiones en juntas de este tipo es sencillo:

- A tracción:

admlaN

SN σσ ≤==

.

- A cizallamiento:

2.adm

admlaT

ST σττ =≤==

- A flexión:

admz

z

z

alM

WM σσ ≤

⋅==

6

2max

4.2.3. Uniones con soldadura a traslape Estas uniones consisten en solapar ambas partes a unir, existiendo multitud de configuraciones posibles, como se ha visto antes. solapesolapesolapesolape

espesor de gargantaespesor de gargantaespesor de gargantaespesor de garganta

FFFF

FFFF

En este caso, el análisis de tensiones es más complejo. La distribución real de las tensiones en el cordón de soldadura es compleja:


La aproximación que se realiza es considerar que la distribución de tensiones sobre la garganta es uniforme, y se basa el ánalisis en dicha área de garganta. Se tendrán en cuenta dos tipos de tensiones (ver figura): a) Referidas al plano de garganta, siendo:

σ La tensión normal, perpendicular al plano de garganta τn La tensión tangencial normal a la arista τa La tensión tangencial paralela a la arista

b) Referidas al plano de una de las caras de la soldadura en

la que ha sido abatida la sección de garganta, siendo: n La tensión normal, perpendicular al plano de una de las caras tn La tensión tangencial normal a la arista ta La tensión tangencial paralela a la arista

Analicemos qué ocurre en el siguiente ejemplo:


Área de garganta = a·lÁrea de garganta = a·lÁrea de garganta = a·lÁrea de garganta = a·l

F

FFFF

45º 45º

σx = F/(a·l)

tn = σx

45º 45º

σ = tn·cos(45º) τn = tn·sin(45º)

σ

σ

τn

τn

τn

τn

Aproximación: distribución uniforme

Descomposición: Estado tensional

tn

Plano de garganta abatido

Observar que sobre si sobre la cara del cordón de soldadura se considera un área igual al área de garganta (plano de garganta abatido), las tensiones en dicha área (n, ta, tn) permiten calcular las tensiones sobre el área de garganta (σ, ta, tn) por simple proyección sobre un plano a 45º. Este es el procedimiento usual a la hora de determinar las tensiones sobre el área de garganta: 1) Cálculo de tensiones en plano de garganta abatido; 2) Proyección de las tensiones sobre la garganta, que se encuentra a 45º. Sobre estado tensional (σ, τn) se aplicaría ya el criterio de resistencia de materiales para analizar su resistencia. Así por ejemplo, si se aplica el criterio de la tensión tangencial máxima quedaría:

admn στσ ≤+ 22 ·4 ⇒ admnt σ≤5)·º45·cos( ⇒ admlaF σ≤5)·º45·cos(·

Si el cordón de soldadura está dispuesto en el sentido de la carga, el análisis es más simple:


Área de garganta τa

τa = ta

ta = F/(2·a·l)

FFFF

FFFF ta

En cuyo caso, la condición de resistencia si aplicamos el criterio de la tensión tangencial máxima sería:

2··2adm

a laF

tσ≤=

NNNNOTA: La norma para construcciones metálicas MVOTA: La norma para construcciones metálicas MVOTA: La norma para construcciones metálicas MVOTA: La norma para construcciones metálicas MV----103 propone la utilización de una 103 propone la utilización de una 103 propone la utilización de una 103 propone la utilización de una condición de seguridad, de base experimental, en lugar de los criterios de resistencia condición de seguridad, de base experimental, en lugar de los criterios de resistencia condición de seguridad, de base experimental, en lugar de los criterios de resistencia condición de seguridad, de base experimental, en lugar de los criterios de resistencia usuales:usuales:usuales:usuales:

admanncomparació σττσσ ≤+⋅+= )(8.1 222

Se trata en realidad de un criterio menos conservador. Para el cálculo de elementos estructurales se utilizará dicha condición. Para diseño de otro tipo de elementos, queda a elección del diseñador utilizar uno u otro criterio. 4.2.4. Resistencia de uniones soldadas La resistencia de las uniones soldadas depende de las características resistentes del material de aporte y de la forma de junta. La resistencia del material depende del tipo de electrodo utilizado. Según la norma americana AWS, la denominación de los electrodos es EXXYY, donde XX hace referencia a la tensión última en kpsi. Existen electrodos E60, E70, E80, E90, E100 y E120, de forma que las tensiones últimas oscilan entre 400 y 800 MPa. La siguiente tabla muestra las características resistentes en función del electrodo empleado:


Número de elecNúmero de elecNúmero de elecNúmero de electrodo trodo trodo trodo AWSAWSAWSAWS

Resistencia Resistencia Resistencia Resistencia últimaúltimaúltimaúltima

kpsi (MPa)kpsi (MPa)kpsi (MPa)kpsi (MPa)

Resistencia deResistencia deResistencia deResistencia de fluenciafluenciafluenciafluencia

kpsi (MPa)kpsi (MPa)kpsi (MPa)kpsi (MPa)

Elongación (%)Elongación (%)Elongación (%)Elongación (%)

E60xx 62 (427) 50 (345) 17-25 E70xx 70 (482) 57 (393) 22 E80xx 80 (551) 67 (462) 19 E90xx 90 (620) 77 (531) 14-17

E100xx 100 (689) 87 (600) 13-16 E120xx 120 (827) 107 (737) 14

El reglamento AISC para metal soldante propone los siguientes coeficientes de seguridad en función del tipo de trabajo de la soldadura:

Tipo de cargaTipo de cargaTipo de cargaTipo de carga Tipo de juntaTipo de juntaTipo de juntaTipo de junta Esfuerzo permisibleEsfuerzo permisibleEsfuerzo permisibleEsfuerzo permisible Tracción A tope 0.6 Sy Aplastamiento A tope 0.9 Sy Flexión A tope 0.6-0.66 Sy Compresión A tope 0.6 Sy Cortante A tope o de filete 0.4 Sy

Para el cálculo a fatiga, se podrán emplear los siguientes factores de reducción de la resistencia a la fatiga:

Tipo de juntaTipo de juntaTipo de juntaTipo de junta KKKKffff A tope con refuerzo 1,2 De filete transversal, en la punta 1,5 De filetes paralelos, en el extremo 2,7 A tope en T, con esquinas agudas 2,0


4.2.5. Cálculo de algunos ejemplos CORDÓN LONGITUDINAL A TRACCIÓN

F Fta

τa

aana talF

t ==== ττσ ;0;2

Con lo cual:

alF

ancomparació 234.18.1 2 =⋅= τσ

CORDÓN TRANSVERSAL A TRACCIÓN

n

τn

F F

σ

0;)º45cos(; =⋅=== an nalF

n ττσ

Con lo cual:

alF

nnncomparació 18.18.11)45cos(8.1 22 =+⋅=⋅+= τσσ

CORDÓN INCLINADO A TRACCIÓN

F Fθ n

σ

ta

τa

τn

aana tnal

Ft

alF

n =⋅==⋅=⋅= ττσθθ;)º45cos(;

)cos(;

)sin(

Con lo cual:


2

222

222

)sin(4.08.1

)cos(2

)sin(8.1

2)sin(

)(8.1

θ

θθθττσσ

⋅−=

=

+⋅+=+⋅+=

alF

alF

anncomparació

FLEXIÓN F

F

L

e

d

n

σ

ta

τa

τn

Debido al momento dFM ⋅= tenemos tensiones normales:

3

2ladF

n⋅⋅=

y además el cortante proporciona tensiones tangenciales: alF

ta 2=

Con lo que las tensiones en la garganta valen:

aan tn =⋅== ττσ ;)º45cos( y la tensión de comparación:

45.06.12)(8.1 2

2222 +⋅=+⋅+=

ld

alF

anncomparació ττσσ


TORSIÓN

σ

ta

τa

F

b

h

M

tn

τn

G

c

G

V

r

τt

τvα

En primer lugar se calcula el cdg correspondiente a las caras de los cordones de soldadura en contacto con el pilar, considerando un área igual a la de garganta. Dicho cdg se considera como idealización de la unión. En ese caso, sobre la unión actúa un esfuerzo cortante y un momento torsor de valores: V = F M = F·h Para el esfuerzo cortante se considera una distribución de tensiones uniforme:

bacaF

v ·· +=τ

Mientras que para el torsor se considera una distribución de tensiones similar a la de torsión en perfiles circulares:

rIhF

rIM

rGG

t ··

·)( ==τ

Ambas tensiones han de sumarse vectorialmente para obtener la tensión total en cada punto. El punto más desfavorable en este caso corresponde con el señalado en la figura. El ángulo α puede calcularse a partir de los datos geométricos. De esta manera, las tensiones sobre la cara del cordón de soldadura en dicho punto valen:

))·cos((

))·sin((

αταττ

rt

rt

ta

tvn

=+=

Con lo que las tensiones en la garganta valen: aann tt =⋅== ττσ ;)º45cos(

y la tensión de comparación: )(8.1 222anncomparació ττσσ +⋅+=


TORSIÓN. Caso particular

σ

ta

τa

F

b

h

M

F’

F’

tn

τn

V

Como aproximación, la norma MV-103 nos dice que podemos suponer un par de fuerzas sobre los cordones que proporcione el par de torsión:

hFM ⋅= ⇒ abhF

F+⋅=' .

De esta manera tenemos las siguientes tensiones:

alF

talF

t an

';

2==

Con lo que las tensiones en la garganta valen:

aann tt =⋅== ττσ ;)º45cos( y la tensión de comparación:

2

2222

)(8.135.0)(8.1

abh

alF

anncomparació +⋅+=+⋅+= ττσσ


4.3 Uniones pegadas .3 Uniones pegadas .3 Uniones pegadas .3 Uniones pegadas 4.3.1. Generalidades Desde hace mucho tiempo se utiliza el pegado para madera, goma, tejido y plásticos. La aparición de modernos adhesivos de resinas sintéticas ha permitido aplicar esta técnica también para metales ligeros y aceros. Las principales características son el peso reducido, costes y tiempos de fabricación menores, estanqueidad de la unión y una elevada resistencia. También es una ventaja el que permite realizar uniones entre materiales muy diferentes. Al contrario que con la soldadura, la distribución de tensiones que se consigue es uniforme, y no se producen deformaciones inadmisiblemente elevadas por calentamiento ni se modifica la estructura del material. Además, los adhesivos absorben golpes y vibraciones. Como desventaja se puede citar que este tipo de unión es inadecuada para temperaturas elevadas, estando el límite de temperatura para la mayoría de adhesivos entre 80 y 120ºC, si bien algunos adhesivos especiales llegan a soportar 450ºC. Hay que tener en cuenta además que las piezas a unir mediante pegado requieren de una cuidadosa limpieza y preparación previa. Este tipo de uniones no tiene buen comportamiento ante solicitaciones de flexión, tracción y despellejado, por lo que hay que evitar dichas situaciones. En las uniones pegadas aparecen pérdidas de resistencia por envejecimiento.

DesfavorableDesfavorableDesfavorableDesfavorable FavorableFavorableFavorableFavorable

Despellejado Tracción (pelado)

Cortadura

En cuanto al campo de aplicación de las uniones pegadas, se utilizan en aquellos casos en donde se persigue una construcción ligera: uniones en alas, fuselaje y hélices en aviación; material compuesto con núcleo ligero (material tipo sandwich) muy utilizado en el campo aerospacial. En la fabricación de vehículos se pegan cuadros de bicicleta y de ciclomotores, zapatas de frenos... En la industria eléctrica el pegado de paquetes de chapas favorece tanto el aislamiento como la eliminación de tensiones de inducción internas; en la medición con bandas extensométricas el pegado juega un papel importante. Además se pegan a menudo tuberías, recipientes de transporte de metales ligeros, equipos de refrigeración, etc. Para uniones pegadas se utilizan adhesivos de elevada calidad como resinas epoxi o fenólicas. Se distinguen, según el número de componentes:

1. Adhesivos de un solo componente, en los cuales el adhesivo contiene todos los ingredientes necesarios para el endurecimiento

2. Adhesivos de dos componentes, los cuales (resina y endurecedor) han de mezclarse antes de su manipulación o aplicación

y según la temperatura de fraguado: 1. Adhesivos que fraguan a temperatura ambiente o a temperaturas elevadas 2. Adhesivos que sólo fraguan a temperaturas elevadas

Además, los adhesivos pueden presentarse en forma fluida, pastosa, sólida o como película adhesiva.


4.3.2. Dimensionamiento de uniones pegadas Consideraremos uniones como las de la siguiente figura, que transmiten fuerza de cortadura y momento de giro, respectivamente: a)

b

l

FFFF FFFF

b)

d MMMM

b

Suponiendo una unión pegada realizada impecablemente las tensiones tangenciales que aparecen por cortadura en (a) valen:

lbF

AF

⋅==τ

con lo que la máxima fuerza cortante transmisible es: maxτ⋅⋅= lbF Y las tensiones tangenciales que aparecen por el torsor en (b) valen:

ππτ

⋅⋅⋅=

⋅⋅⋅

⋅

=

⋅

= 2

2

22

22

dbM

db

dM

AdM

,

con lo que el par máximo transmisible será:

2max

2 τπ ⋅⋅⋅= dbM

Para el cálculo de maxτ se suele utilizar un coeficiente de seguridad entre 2 y 3.

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