Soldadura

Félix C. Gómez de León Antonio González Carpena

TEMA 6. SOLDADURA Y TÉCNICAS DE UNIÓN. Curso de Resistencia de Materiales y cálculo de estructuras.

Índice. Uniones Soldadas. Introducción. Soldadura al arco. El cordón de soldadura. Dimensiones fundamentales del cordón de soldadura. Clasificación de los cordones de soldadura. Otras clasificaciones. Prescripciones normativas. Recomendaciones para la ejecución. Cálculo. Problema 5.1.

Uniones atornilladas.

Introducción. Se llama soldadura a la unión de dos piezas metálicas de igual o parecida composición, de forma que la unión quede rígida y estanca. Esto se consigue por fusión o por la aportación de otro metal de enlace. En las soldaduras por fusión el calor proporcionado funde los extremos de las piezas y al solidificar se produce la unión. Existen diferentes tipos de soldadura por fusión, pero los más utilizados son dos: Soldadura autógena. Soldadura por arco eléctrico, que es la que se utiliza en estructuras metálicas.

Fuente: AWS

Soldadura al arco. Los procedimientos de soldadura en arco pueden agruparse en cuatro: Soldadura por arco manual con electrodos revestidos. Soldadura por electrodo no consumible protegido. Soldadura por electrodo consumible protegido. Soldadura por arco sumergido.

El cordón de soldadura. El cordón de soldadura tiene tres partes bien diferenciadas: a.

b.

c.

Zona de soldadura: Es la zona central, que está formada fundamentalmente por el metal de aportación. Zona de penetración. Es la parte de las piezas que ha sido fundida por los electrodos. La mayor o menor profundidad de esta zona define la penetración de la soldadura. Una soldadura de poca penetración es una soldadura generalmente defectuosa. Zona de transición. Es la más próxima a la zona de penetración.

Fuente: Urbipedia.org

Dimensiones fundamentales del cordón de soldadura. La garganta (a) es la altura del máximo triángulo isósceles cuyos lados iguales están contenidos en las caras de las dos piezas a unir y es inscribible en la sección transversal de la soldadura. Se llama longitud eficaz (l) a la longitud real de la soldadura menos los cráteres extremos. Se admite que la longitud de cada cráter es igual a la garganta.

Clasificación de los cordones de soldadura. Por la posición geométrica de las piezas a unir. Soldaduras a tope. Soldaduras en ángulo.

Fuente: construpedia.com

Otras Clasificaciones. Por la posición del cordón de soldadura respecto al esfuerzo. Cordón frontal Cordón lateral Cordón oblicuo

Por la posición del cordón de soldadura durante la operación de soldar. Cordón plano (se designa con H) Cordón horizontal u horizontal en ángulo (se designa por C). Cordón vertical (se designa con V) Cordón en techo o en techo y en ángulo (se designa con T)

Prescripciones normativas. Soldaduras a tope. Continuas en toda la longitud y penetración completa. Antes de depositar el cordón de cierre → Sanear raíz. Si no hay acceso a la cara posterior → penetración completa. Piezas de distinta sección debe adelgazarse la mayor con pendientes inferiores al 25%.

Soldaduras en ángulo. La garganta cuando e1<e2; valor máximo para e1 y valor mínimo para e2. La longitud eficaz l de una soldadura lateral en ángulo con esfuerzo axial debe estar comprendida entre los siguientes valores: Valor mínimo: l ≥ 15a ; l ≥ b Valor máximo: l ≤ 60a ; l ≤ 12b

Recomendaciones para la ejecución. Soldaduras de cordones múltiples.

Soldaduras continuas.

Uniones en ángulo con soldaduras cruzadas

Uniones planas con soldaduras cruzadas

Soldaduras a tope

Cálculo.

La norma especifica que las soldaduras a tope realizadas correctamente no requieren cálculo alguno.

Soldaduras en ángulo Se asimila el cordón de soldadura a un triángulo isósceles y se toma como sección de cálculo la definida por la altura a del triángulo isósceles, por ser la sección menor. También se acepta que las tensiones son constantes a lo largo del plano definido por la altura a y cuya superficie es a l, siendo l la longitud del cordón de soldadura. Sobre este plano las componentes de las tensiones serán: una tensión normal σ y dos componentes sobre el plano de referencia, que llamamos τa y τn. Entonces:

σ co = σ 2 + 3(τ 2 a + τ 2 n ) ≤

fu

γM2

=

fu 1.25

Si abatimos la sección sobre una de las caras:

1 (n + tn ) σ= 2 1 (n − tn ) τn = 2 τ a = ta

Problema 5.1. Sean 2 angulares de 80 x 80 x 8 soldados a una cartela por 2 cordones de soldadura de espesor a = 4 mm. El esfuerzo de cálculo del axil a tracción N es 40 kN, siendo las distancias d’ y d’’ 23 y 57 mm respectivamente. El acero empleado es un S 235. Se pide: Determinar la longitud de los cordones de soldadura.

Introducción. Existen algunas estructuras o piezas de determinadas máquinas que están compuestas de partes que hay que unir de forma adecuada para que cumplan la función para la que han sido diseñadas. Si se trata de materiales metálicos, los medios de unión comúnmente empleados son tornillos y soldadura. Las uniones con bulones tienen poca aplicación, y las uniones por medios adhesivos se encuentran aún en fase experimental. El calculo de uniones atornilladas que hemos seleccionado para su estudio, se basa en la teoría elemental de la cortadura expuesta, cuyos resultados están avalados por la experiencia.

Generalidades. Las uniones atornilladas se llevan a cabo mediante piezas denominadas tornillos. Un tornillo es un elemento de unión formado por una espiga cilíndrica llamada caña, uno de cuyos extremos tiene una cabeza de forma determinada, estando el otro extremo roscado. La unión se forma introduciendo el tornillo en un agujero efectuado en las piezas a unir y colocando en el extremo roscado una tuerca con su arandela correspondiente

Tornillos. Tornillos ordinarios. l: longitud del vástago. b: longitud roscada. d: diámetro de la espiga.

Tornillos calibrados. Son tornillos mecanizados que se introducen ajustados en los agujeros. Poco usados, son difíciles de colocar.

Tornillos alta resistencia. Se emplean para cualquier tipo de acero. Se pretensan al objeto de transmitir los esfuerzos por rozamiento.

Tuercas y Arandelas. Las tuercas se emplean indistintamente para tornillos ordinarios y tornillos calibrados. Las arandelas negras se emplean en tornillos ordinarios. Las arandelas pulidas se recomiendan para tornillos calibrados.

Arandela negra

Arandela pulida

Arandela IPN

Arandela UPN

Parámetros de diseño. La elección del diámetro d de los elementos de unión es función del espesor mínimo de las chapas a unir. Como orientación se recomienda tanto para roblones como para tornillos que:

d ≈ 5e − 0,2

expresando d y e en cm.

Disposiciones constructivas.

Tipos de uniones atornilladas. Paso

Las uniones atornilladas se dice que trabajan a cortadura cuando las fuerzas se transmiten por contacto entre las chapas a unir y la caña de los tornillos. Es el caso más normal. Distinguiremos dos tipos: Cargas centradas respecto al elemento de unión. Cortadura simple (si los tornillos trabajan por una sección). Cortadura doble (si los tornillos trabajan por dos secciones).

Cálculo a cortadura. Fallo por cortadura. Si la tensión de cortadura en los remaches o tornillos es superior a la tensión admisible τadm del material de los remaches, la unión se rompería por la sección del remache sometida a cortadura.

Si τadm es la tensión admisible a cortadura, el número mínimo nτ de tornillos que se precisarían para no sobrepasarla verificaría la condición de equilibrio

πd 2 P=n τ τ adm 4

Cálculo por aplastamiento. Fallo por aplastamiento. La unión podría fallar si un remache aplastara el material de la placa en la zona de contacto común, o bien, si el propio remache fuera aplastado por la acción de la placa. Se puede aumentar la resistencia a la compresión de la unión aumentando el área de compresión, o sea, aumentando el diámetro del remache o el espesor de la placa o ambos.

Si σc,adm es la tensión admisible a compresión en la chapa, el mínimo número nc de tornillos que se precisarán verificará:

P=nc d eσ c ,adm

Cálculo a tracción. Fallo por rotura de la placa a tracción. En una pieza sometida a tracción, de una unión mediante remaches, se puede producir el fallo por rotura de la sección debilitada por los agujeros para los remaches Se puede elevar la resistencia de la unión aumentando el espesor o el ancho de la placa o ambos. Las roturas por fallo de la chapa a tracción o cortante no se suelen considerar en el cálculo de la unión, ya que se evitan al tener en cuenta las recomendaciones de las normas en cuanto a distancias mínimas entre agujeros y entre éstos y los bordes de las chapas.

Doble cortadura. Una unión mediante costura simple tiene el inconveniente de que al efecto del esfuerzo cortante en la sección recta se añade un momento debido a no tener las fuerzas iguales y opuestas aplicadas a las chapas en la misma línea de acción. La existencia de este momento tenderá a provocar una deformación de la costura del tipo indicado en las figuras (a) y (b), según se trate de unión con una o dos filas de tornillos.

Este efecto se puede evitar colocando las placas en alguna de las posiciones indicadas a continuación

Doble cortadura. En este caso los elementos de unión trabajan a doble cortadura. Para el cálculo a cortadura del número menor nτ de tornillos o remaches se tendría:

πd 2 2P P=n τ ⋅ 2 ⋅ τ adm ⇒ n τ = 2 4 πd τ adm Para el cálculo por aplastamiento:

P = n c edσ c, adm

P ⇒ nc = edσ c, adm

Carga descentrada. Se presentan con frecuencia casos de uniones en los que la carga es excéntrica, como ocurre en la unión indicada en la Figura, y cuyo cálculo simplificado se basa en la teoría elemental de la cortadura La carga P se reparte entre los tornillos de forma uniforme, es decir, sobre cada tornillo actuará en sentido vertical un esfuerzo cortante P/n, si n es el número de ellos. Admitiremos que el momento es absorbido por fuerzas cortantes Fi de dirección perpendicular a la recta que une el centro del taladro Ai con el centro de gravedad G y de módulo directamente proporcional a la distancia ri entre ambos puntos, siendo la constante de proporcionalidad la misma para todos los tornillos, es decir, Fi = k ri.

Carga descentrada. Por tanto, se tendrá que verificar:

Pe =

n

∑

Fi ri =

n

∑

1

k ri2 = k

1

n

∑

ri2

1

Despejando el valor de k de esta expresión y sustituyendo en ,Fi = k ri obtenemos el esfuerzo cortante Fi sobre cada remache debido al momento Pe.

Fi = k ri =

Pe n

∑

ri

ri2

1

Respecto de un sistema de referencia Gxy este esfuerzo cortante tiene las componentes: Fix = − Fi senαi =

− Pe n

∑ri2 1

ri senαi = −

Pe n

∑(x i2 + yi2 ) 1

yi Fiy = Fi cosα i =

− Pe n

∑ ri2 1

ri cosα i = −

Pe n

∑ (x i2 + y i2 ) 1

xi

Carga descentrada. Para calcular el esfuerzo cortante total sobre cada remache habrá que componer vectorialmente P/n en la dirección de la carga P y Fi, cuyo módulo acabamos de calcular, en dirección perpendicular a la recta que une el centro del taladro con el centro de gravedad G, tal como se indica en la figura.

Problema 4.1. Determinar el numero de tornillos necesarios (Φ16, clase 8.8) para realizar la unión planteada en la figura. La fuerza F vale 440 KN, el espesor de la chapa es de 8 mm y se trata de acero S-235.

Problema 4.2. El perfil UPN 300 de la figura esta soldado a tope todo alrededor en una placa dorsal rigidizada. Comprobar los esfuerzos en los tornillos 10.9 y de diametro 20 mm.