3. Clase De Uniones Soldadas

Dr.Ing. F. Alva Dávila

1

UNIONES 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

UNIONES

2

Diseño de Elementos de Maquinas I

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:

wa 2

UNIONES

Dr.Ing. F. Alva Dávila

3

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 (C 2H2) 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: (A) Es de llama normal (neutra) con partes iguales de O 2 y C2H2 usada para soldar.

UNIONES

4

Diseño de Elementos de Maquinas I

(B) Produce una llama (reductora) con exceso de C 2H2 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.

UNIONES

Dr.Ing. F. Alva Dávila

5

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.

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.

UNIONES

6

Diseño de Elementos de Maquinas I

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. 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 portaelectrodo 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.

UNIONES

Dr.Ing. F. Alva Dávila

7

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. 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.

UNIONES

8

Diseño de Elementos de Maquinas I

E

-

Soldadura Eléctrica

XXX

X

Resistencia

(A) Posición de

mínima, Su

Soldar

X (B) Tipo de 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

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.

UNIONES

Dr.Ing. F. Alva Dávila

9

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.al

Para elementos sometidos a esfuerzos de compresión, normal 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 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.

UNIONES

10

c.-

Diseño de Elementos de Maquinas I

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 MAS GRUESA 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

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.

UNIONES

Dr.Ing. F. Alva Dávila

2.

11

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".

5. La longitud efectiva mínima de un cordón de soldadura de filete debe ser: Lw  4w

UNIONES

12

Diseño de Elementos de Maquinas I

6. La longitud efectiva de un segmento de cordón de soldadura de filete en cordones intermitentes, deberá ser: L w  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 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. UNIONES

Dr.Ing. F. Alva Dávila

13

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

De la figura el valor de x:

x

w cos 45 cos(  45)

P

P cos(  45)

El esfuerzo de corte es:    x.L  wL cos 45 w w

(a)

UNIONES

14

Diseño de Elementos de Maquinas I

Derivando  con respecto a  e igualando la derivada a CERO para  hallar el máximo: d  P ( ).Sen(  45)  0 d wLw cos 45

De donde:

Sen(  45)  Sen0



  45

Reemplazando en (a) , tenemos:

Haciendo:

2.

Sw 

 máx 

P wLw cos 45

Sw P , tenemos   máx  w.Lw Cos 45

CORDON TRANSVERSAL

De la figura: Fs  P.Sen

y

x

w.Cos 45 Cos (  45)

El esfuerzo de corte es:

 

Ps P.Sen . cos(  45)  x.Lw wLw cos 45

UNIONES

(b)

Dr.Ing. F. Alva Dávila

15

Derivando  con respecto a  e igualando la derivada a CERO para  hallar el máximo: d  P Cos (  45)Cos  Sen .Sen(  45)  .0 d wLw cos 45

Sen .Sen(  45)  Cos .Cos (  45)  0

Es la diferencia de cosenos, entonces: Cos (2  45)  Cos90 

2  45  90



135  67,5 2

Reemplazando en (b), tenemos:  máx 

P.Sen67,5.Cos 22,5 wLwCos 45



 máx 

0,853S w Cos 45

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:  máx 

Sw  Ss cos 45

S w  S s .Cos 45,

donde

S s  0,3S u

UNIONES

16

Diseño de Elementos de Maquinas I

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: w 

P  Sw w.Lw

haciendo :

fw 

P Lw

De donde: w=

f

= Carga de corte por unidad de longitud

P = Carga actuante w

L = Longitud efectiva

2.

CARGA DE CORTE PRODUCIDA POR EL MOMENTO TORSOR

UNIONES

Dr.Ing. F. Alva Dávila

17

f

w=

T.c Jw

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 3.

CARGA DE CORTE PRODUCIDA POR MOMENTO FLECTOR

f

w=

M.c Iw

=

M Zw

, I w =  y 2 ds

I w = I wo + l. d 2

,

Z w=

I w =  x 2 ds

Iw c

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.

UNIONES

18

Diseño de Elementos de Maquinas I

Para el caso de cargas que actúan en planos mutuamente perpendiculares: fw =

f

2 wx

+ f

2 wy

+ f

Tamaño del cordón de soldadura de filete:

2 wz

w=

fw Sw

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: F  wcal S w .Lw  wrecom .S w .Lw

La intermitencia se calcula por la expresión:

R 

Wcalculado como soldadura continua Wrecomenda do a usar

UNIONES

x100%

Dr.Ing. F. Alva Dávila

19

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:

 m=

 máx   mín ; 2

a=

 máx   mín ; 2

K=

 mín  máx

Reemplazando en la ecuación de Goodmann: 1 1 K 1 K =  N máx 2S e 2Su

  máx 

2 S e .S u N  (Se  Su )  (Su  Se ) K 

Ordenando la ecuación:

UNIONES

20

Diseño de Elementos de Maquinas I

 máx

2 S e .S u N (Su  Se )  S  Se 1 ( u )K Su  Se

Quedando finalmente:  máx 

 1  K

;

1  K  1

Porque, Su y Se dependen del material f

wmín También, se puede calcular como: K = f wmáx

Según AWS D2.0-69, para ASTM A36 a A50 y 0,5x106 a 2x106 ciclos El esfuerzo permisible a corte es: Ss 

UNIONES

9000 PSI 1  0,62 K