Trabajo De Soldadura (1)

UNIVERSIDAD DEL NORTE DEPARTAMENTO DE INGENIERIA MECANICA DIVISION DE INGENIERIAS BARRANQUILLA - ATLANTICO

MATERIALES BASE Y ESFUERZOS INGENIERIA DE SOLDADURA ALDO ALFARO; LUIS DURAN; JHALMAR FONTALVO

2011

TABLA DE CONTENIDO

LISTADO DE TABLAS ............................................................................................ 4 LISTADO DE FIGURAS .......................................................................................... 4 Introducción ............................................................................................................. 5 Objetivos ................................................................................................................. 5 Material Base .......................................................................................................... 6 Soldabilidad ............................................................................................................. 8 Carbono Equivalente (CE) ................................................................................. 10 Variables de la soldabilidad ............................................................................... 12 Solubilización de gases por la zona fundida ................................................... 12 METALES FERROSOS ........................................................................................ 17 Clasificación de los metales ferrosos ................................................................. 17 ACEROS ............................................................................................................... 18 Aceros al carbono .............................................................................................. 19 Aceros al bajo carbono (Desde SAE 1016 A 1030) ........................................ 19 Aceros al medio carbono (Desde SAE 1035 a 1053) ..................................... 20 Aceros al alto carbono (Desde SAE 1045 a 1095) ......................................... 21 Aceros de baja aleación ..................................................................................... 21 Aceros de fácil maquinabilidad .......................................................................... 22 Aceros aleados para aplicaciones en construcciones ........................................ 23 Aceros de mediana aleación .............................................................................. 24 Aceros de mediana Aleación al Cr-Ni-Mo .......................................................... 24 Aceros inoxidables ............................................................................................. 24 Austeníticos (AISI 302XX

303XX) ................................................................ 25

Martensiticos (AISI 514XX) ............................................................................. 25 Ferríticos (AISI 514XX 515XX) ..................................................................... 26 Dúplex............................................................................................................. 26 Endurecidos por precipitación......................................................................... 26 Aceros para herramientas .................................................................................. 27

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Templables en agua (W)................................................................................. 27 Trabajo en frio ................................................................................................. 27 Trabajo en caliente (H) ................................................................................... 27 Resistentes al impacto (S) .............................................................................. 27 FUNDICIONES DE HIERRO ................................................................................. 28 Fundición blanca ................................................................................................ 28 Fundición gris ..................................................................................................... 29 Fundición nodular............................................................................................... 29 Fundición maleable ............................................................................................ 30 Fundición de grafito compacto ........................................................................... 31 Ventajas e inconvenientes de las fundiciones frente a los aceros ..................... 32 METALES NO FERROSOS .................................................................................. 33 Aluminio y Aleaciones ........................................................................................ 33 Titanio y Aleaciones ........................................................................................... 36 Cobre y Aleaciones ............................................................................................ 37 Soldabilidad del cobre..................................................................................... 39 Soldadura del cobre y sus aleaciones ............................................................ 39 Magnesio y Aleaciones ...................................................................................... 39 Níquel y Aleaciones ........................................................................................... 41 FORMA Y GEOMETRIA .................................................................................... 44 Laminas, planchas y platinas ............................................................................. 44 Perfiles laminados .............................................................................................. 44 Tuberías ............................................................................................................. 44 Accesorios con múltiple forma ........................................................................... 44 CALCULOS DE ESFUERZOS Y TAMAÑO DE SOLDADURA ............................. 46 FACTORES DE CONSIDERACION EN LA ESTIMACION DE LOS ESFUERZOS .............................................................................................................................. 47 FACTORES DE SEGURIDAD............................................................................... 49 TAMAÑO DE LAS SOLDADURAS ........................................................................ 51 CALCULOS DE ESFUERZOS .............................................................................. 52 TIPOS DE ESFUERZOS ....................................................................................... 53

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FORMULAS TIPICAS PARA EL CÁLCULO DE ESFUERZOS ............................. 55 CONCENTRACION DE ESFUERZOS .................................................................. 58 CONCLUSIONES.................................................................................................. 60 BIBLIOGRAFÍA ..................................................................................................... 61

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LISTADO DE TABLAS Tabla 1 Factores más influyentes en la seleccion de los materiales bases ............ 6 Tabla 2 Factores determinantes en la soldabilidad ................................................. 9 Tabla 3 Clasificación de los aceros ....................................................................... 19 Tabla 4 Porcentaje de carbono y silicio de algunas aleaciones ............................ 31 Tabla 5 Propiedades de los aceros y fundiciones ................................................. 31 Tabla 6Aleaciones del Aluminio ............................................................................ 35 Tabla 7 Composicion química de aleaciones de aluminio ..................................... 35 Tabla 8Aleaciones de Titanio ................................................................................ 36 Tabla 9Ventajas y Desvetajas de las aleaciones de titanio ................................... 37 Tabla 10Composición quimica de las aleacino de cobre ....................................... 38 Tabla 11Designacion de los elementos en las aleaciones de Magnesio ............... 40 Tabla 12 Elementos de Aleacion del Niquel .......................................................... 41 Tabla 13Efecto de los aleantes en la soldabilidad del Ni y sus aleaciones ........... 43 Tabla 14Procesos de Soldadura en metales y su compatibilidad ......................... 43 Tabla 15Tipo de Junta y concentrador de esfuerzos ............................................. 58

LISTADO DE FIGURAS Ilustración 1 Clasificación y tipos de metales ferrosos .......................................... 18 Ilustración 2Composicion química de algunos aceros al carbono ......................... 21 Ilustración 3 Composicion química de aceros de constucción .............................. 23 Ilustración 4Clasificacion de los metales no ferrosos ............................................ 33 Ilustración 5Serie de aluminios.............................................................................. 34 Ilustración 6 Elementos aleantes del Cobre .......................................................... 38 Ilustración 7Denominacion del Magnesio .............................................................. 40 Ilustración 8Composición quimica de las aleaciones mas importantes del NÍquel 42 Ilustración 9Factores en el calculo de esfuerzos y tamaño de soldadura ............. 47 Ilustración 10Variables en el diagrama de Esfuerzo - Deformación ...................... 53

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Introducción El estudio de los materiales bases es fundamental en el DFMA de productos soldados debido a la importancia que estos tienen sobre el éxito de las uniones soldadas, en el cual se debe tener en cuenta los criterios de selección, la soldabilidad, su clasificación, propiedades, así como la forma y geometría en que comercialmente son distribuidos. Así también el cálculo de los esfuerzos y tamaños de soldadura en uniones soldadas son de igual importancia en el DFMA por que generan las soluciones necesarias y suficientes para especificar la construcción de los componentes soldados que se requieran.

Objetivos 

Conocer la importancia del estudio de los materiales base teniendo en cuenta criterios de selección, la soldabilidad, su clasificación, propiedades, así como la forma y geometría en que comercialmente son distribuidos.



Comprender las propiedades de las aleaciones más utilizadas tanto ferrosas como no ferrosas aplicadas en el área industrial.



Conocer y aplicar la formulación necesaria para resolver problemas de cálculos de esfuerzos en componentes soldados.



Conocer las fuentes de información y especificaciones necesarias para el cálculo de esfuerzos en estructuras soldadas.

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Material Base El material base es aquel en el cual se va a depositar la soldadura, es decir, es a aquel material que se va a soldar o unir. En el proceso de soldadura los materiales bases son metálicos por los requerimientos que el proceso demanda, en otras palabras por las propiedades mecánicas, eléctricas, químicas y física que los metales poseen. Para la selección del material base para un proceso y procedimiento específico de soldadura es importante en el DFMA para productos soldados, tener en cuenta unos factores que afectan y determinan la selección de estos. Algunos de estos factores son: La naturaleza, clasificación y propiedades de los materiales así como también las formas y geometrías que se comercializan comúnmente en el mercado. Estos factores son de gran importancia debido a que cada uno de ellos describe en gran medida que tan relacionado o afectado se encuentra el material base con estos factores y de esta forma especificar si este aplica o no en una aplicación específica de soldadura. Cabe resaltar que existen muchos más factores, pero los anteriormente mencionados ocupan un alto nivel importancia en la selección de un material base. A continuación se establece una tabla (Tabla No 1) en la cual se muestran los factores más influyentes en la selección de estos materiales:

Tabla 1 Factores más influyentes en la seleccion de los materiales bases



Naturaleza del material.



Solicitaciones de carga y condiciones de servicio del producto soldado.



Propiedades del material base.



Forma, geometría y variedad en que se comercializa el material.



Trazabilidad del material.



Costos y disponibilidad comercial.



Impacto ambiental, reciclabilidad y capacidad de recuperación del

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material.

Como ya se estableció anteriormente cada uno de estos factores juega un papel muy importante en la selección de los materiales bases que se requieran en cierta aplicación de soldadura. Por ejemplo es fundamental tener en cuenta la naturaleza del material base, es decir, si el material es ferroso o no ferroso ya que de este factor se encuentra muy ligado al procedimiento de soldadura que se vaya a aplicar. Además de esto es importante conocer las condiciones que necesita soportar el material base durante su aplicación, debido a que de esta manera se determinaría si la unión que se lleve a cabo en este, pueda soportar las condiciones que se requieran en cuanto a carga se refiere, para evitar que la estructura falle. El anterior factor se encuentra relacionado a otro factor muy importante que incide en la selección del material base, como lo son las propiedades que estos poseen. Este factor de selección se encuentra arraigado con las características propias que se desea que el material base contenga para la aplicación que se requiera por ende se encuentra muy ligado al juicio de la persona que establezca la selección para una aplicación determinada, es decir, de acuerdo a las propiedades ya sean mecánicas, químicas o físicas que tenga el material base se tiene en cuenta el proceso de soldadura a usar (con el cual se va a ser capaz de obtener una unión deseada). Uno de los factores que a simple vista no pareciese que fuera fundamental es el conocimiento de las formas y geometrías que se encuentran disponibles en el mercado. Sin embrago este es uno de los factores de mayor impacto en los costos, debido a que es más económico seleccionar un forma o geometría para el material base que se encuentre disponible en el mercado que diseñarla desde cero, de esta manera se sabrá que procedimiento de soldadura se requiere para obtener en la unión en la pieza o material base. Así también otro factor que influye en los costos es la disponibilidad de poseen los materiales, disponibilidad en cuanto a reciclaje y producción se refiere. Debido a

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que cuanto mayor sea el reciclaje y producción de cierto material menor es el precio de este en el mercado. Por ejemplo el aluminio es mucho más caro que el hierro por su costo elevado de producción pero además el hierro es más barato porque su producción se centra en mayor medida al reciclaje de este, permitiendo que la extracción y tratado de este material se mucho menor, disminuyendo así su costo de producción y por ende su costo de comercialización. Uno de los conceptos más importantes en el estudio de los materiales bases es el concepto de soldabilidad. A continuación se establecerán algunas definiciones de este, así como también de algunos factores determinantes que juegan un papel muy importante en este concepto.

Soldabilidad La soldabilidad se define como la propiedad tecnológica de los materiales y su capacidad de unirse con otro bajo un procedimiento y proceso específico de soldadura que asegure la calidad de la unión acorde con las especificaciones establecidas en el diseño. Esta definición es muy importante debido a que la soldabilidad no es una propiedad que depende únicamente de las características de los materiales sino que además depende de cómo se lleve a cabo la unión en estos, por lo tanto se considera una propiedad tecnológica en la cual juega un papel importante el conjunto de conocimientos técnicos y ordenados que se posee para llevar acabo la soldadura. La American Welding Society (AWS) define a la soldabilidad como “la capacidad de un material para ser soldado bajo las condiciones de fabricación impuestas dentro de una estructura especificada y convenientemente diseñada y para tener un rendimiento satisfactorio en el servicio que se pretende”. 1 Esta definición es mucho más elaborada y minuciosa sobre el concepto de soldabilidad debido a los grandes estudios que la Sociedad Americana de Soldadura ha hecho sobre este tema. Cabe resaltar que se ha afirmado que todos los metales se pueden soldar, 1

HOWARD B. CARY. American Welding Society, Manual de soldadura moderna, Segunda Edición, Tomo 2, México: Prentice-Hall, 1996, Pág. 521.

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pero que unos son más difíciles que otros. Por ejemplo es mucho más fácil soldar un acero de bajo carbono comparado con soldar una fundición gris, pero a pesar que ambos se pueden soldar, no es muy común la soldadura en fundiciones metálicas por cuestiones de dificultad para llevar a cabo el proceso de unión adecuadamente. La soldabilidad se encuentra determinada por ciertos factores, algunos de los cuales se muestran en la Tabla No 2. Tabla 2 Factores determinantes en la soldabilidad



Compatibilidad química.



Conductividad y nivel de expansión térmica.



Temperatura de fusión.



Aporte térmico y velocidad de enfriamiento.



Requerimientos de tratamientos térmicos.



Tensión superficial característica del depósito de soldadura fundido.



Consideraciones de esfuerzos residuales, rigidez, ductilidad y Resistencia a la corrosión.

Como se muestra en la anterior grafica la soldabilidad se encuentra determinada o es función de muchos factores, sin embargo los que se encuentran en la Tabla No 2 no son los únicos, pero si los más influyentes. Por ejemplo la soldabilidad depende de que tan compatible químicamente son los materiales que se van a unir para que se pueda obtener una difusión y aleación en una zona continua entre las dos partes que se van a soldar, es decir, en la interface. Otro de los factores a considerar es la velocidad de enfriamiento debido a que a medida que la velocidad de enfriamiento aumenta se tiene que la soldabilidad disminuye, debido al riesgo a la formación de grietas en la soldadura, por la formación de martensita. Por lo tanto es importante saber controlar este factor para obtener velocidades de enfriamientos normales o permisibles.

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Al igual que el anterior factor, las tensiones superficiales dentro de la soldadura después de su enfriamiento juegan un papel importante en la soldabilidad, porque esta también puede generar grietas en la soldadura debido a las contracciones que se producen después de la soldadura, para controlar estos dos últimos factores es pertinentes en algunos casos realizarle tratamiento térmico a la pieza, como el precalentamiento ya que este aumenta la soldabilidad debido a que incide en el menor riesgo de la trasformación a martensita y a la disminución del estado tensional. Uno de los conceptos que influyen mucho en la soldabilidad de los materiales es el concepto de carbono equivalente (CE), por lo tanto a continuación se procede a realizar su definición. Carbono Equivalente (CE)

La cantidad de carbón equivalente se encuentra definido como el contenido en función del carbono y elementos de aleación, que tiene la misma probabilidad de formación de grietas que el acero sin alear con el contenido en carbono, C%.2 Una de las formulas con la cual se puede calcular el carbón equivalente la siguiente3: 𝐶𝐸 = 𝐶 +

𝑀𝑛 𝐶𝑟 + 𝑀𝑜 + 𝑉 + 𝐶𝑏 𝑁𝑖 + 𝐶𝑢 + + 6 5 15

Estando indicando las cantidades en % en peso. Cabe resaltar que existen muchas otras fórmulas establecidas para calcular el carbono equivalente de un metal base. Como por ejemplo otra fórmula establecida por Robert D. Stout4 es: 𝐶𝐸 = 𝐶% +

𝑀𝑛% 𝑁𝑖% 𝐶𝑟% + 𝑀𝑜% 𝐶𝑢% + + + 6 20 10 40

2

FERRER GIMÉNEZ. C, AMIGÓ BORRÁS. V, Tecnología de Materiales”, Universidad Politécnica de Valencia, México: Alfaomega, 2005, Pág. 453. 3 H. Maury, E. Niebles, J. Torres. Diseño para la fabricación y ensamble de productos soldados. Ediciones Uninorte. Colombia, 2009, Pág. 60. 4 Robert D. Stout, Weldability of Steels, 4ª Edition, Welding Research Council, New York, 1987, Peg. 191.

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Existen otras fórmulas sin embargo lo importante es que con cualquiera de las formulas se puede obtener un estimado del carbón equivalente un acero. El concepto de carbono equivalente es muy importante porque nos cuantifica la influencia que tienen los elementos de aleación en el riesgo a formación de grietas en el proceso de soldadura. Por ejemplo cunado el carbón equivalente excede de 0.4% se requieren controles especiales porque el acero muestra gran probabilidad a la aparición de grietas en la soldadura. Por ende se debe usar un proceso de hidrogeno bajo o metales de aporte. Hay que utilizar energía por calor más alta y se puede requerir calentamiento previo. Se tiene así que el concepto de soldabilidad exige el análisis de los siguientes aspectos de la continuidad: A) Física. La sección útil,𝑆𝑢. Puede medirnos el nivel de esta continuidad. B) Características Resistentes. La tensión útil, 𝜎𝑠 . El cual es el índice de la respuesta de la soldadura a un tipo específico de fuerza. C) Tensional. Las tensiones residuales,𝜎0 . El cual es el indicador de la continuidad tensional que quedan en la unión soldada. Estos parámetros se relacionan mediante las fuerzas que pueden soportarse como lo muestra la siguiente figura:

Fuerza en la chapa: 𝐹𝑇 = 𝜎. 𝑆𝑐 Fuerza en la soldadura: 𝐹𝑆 = (𝜎𝑆 − 𝜎0 ). 𝑆𝑢 Entonces el nivel de soldabilidad (𝐼𝑆 ) puede ser cuantificado mediante la siguiente relación: 𝐼𝑆 =

𝐹𝑆 (𝜎𝑆 − 𝜎0 ). 𝑆𝑢 = 𝐹𝑇 𝜎. 𝑆𝑐

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Ya entonces habiéndose definidos la soldabilidad y algunos factores que la determinan es pertinente definir las variables que durante el proceso de soldadura ocasionan una perturbación de esta, como se muestra a continuación. Variables de la soldabilidad

Son aquellas que pueden estar relacionadas con la sección útil de la soldadura, las tensiones internas o las tensiones máximas admisibles en estas, como se muestra a continuación.

Solubilización de gases por la zona fundida

El proceso de soldadura es un proceso de colada de metal fundido en un molde el cual lo constituye el bisel en la chapas bases a soldar. Por ende el primer defecto importante es la absorción de los gases que se encuentran en el ambiente (oxigeno, nitrógeno e hidrogeno) durante el proceso de soldadura. 

Defectos Por La Absorción De Oxigeno 

Conlleva a la aparición de óxidos



En el acero soldado es rebajado el contenido de carbono debido a la reacción de reducción: 𝐹𝑒𝑂 + 𝐶 = 𝐹𝑒 + 𝐶𝑜



Disminución de las características resistente del acero (Figura 9.24 Libro: Tecnología de materiales. Carlos Ferrer Giménez. Alfaomega).



Poros en la solidificación debido a la menor solubilidad del (CO) producido.



En forma de (FeO), u otros óxidos, disminuye la compacidad de la union, afectando la continuidad física.

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

Control Del Oxígeno Disuelto

A. Desoxidación por el material de aportación, tipo MIG o TIG. Es conocido que frente al (FEO), metales como el Mn, Si y Al se comportan como desoxidantes más fuertes que el carbono. Por lo tanto para la desoxidación es necesario agregar estos materiales de aportación. Como se muestra en la Figura No 9.25.

B. Desoxidación por escorias protectoras (SMAW) Las funciones que cumplen este método son: 

Proteger al metal durante la solidificación.



Desplazar los óxidos hacia la escoria.

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En la Tabla No 9.4 se muestran las principales escorias que se utilizan para desplazar los óxidos.



Defectos Por La Absorción De Nitrógeno

El contenido de nitrógeno disuelto en el metal fundido es función de: a) Creciente con la presión parcial de atmosfera de N2 y la temperatura. b) Creciente con la presión parcial de O2 disuelto. c) Decreciente con la intensidad de corriente de soldeo (Figura No 9.29). d) Decreciente con los elementos de aleación.

Los defectos por la absorción de nitrógeno son de dos tipos: a) Formación de poros. b) Endurecimiento y fragilización de la zona fundida.

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Se pueden evitar estos defectos en la soldadura mediante: a) Eliminando las fuentes de nitrógeno. b) Reduciendo el contenido de oxígeno. c) Adicionando de elementos de aleación desoxidantes. d) Adicionando de elementos de aleación tenaces como el níquel. 

Defectos Por La Absorción De Hidrógeno

La Absorción de hidrógeno está favorecida por: a) La gran solubilidad b) La fácil difusión del ión H+ (es de pequeña dimensión) En la Figura No 9.31 se muestra la absorción de hidrogeno en función de la presión de H2 para los diferentes tipos de procesos de soldadura.

Las consecuencias de la absorción de hidrógeno son: a) Formación de poros. b) Formación de grietas.

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c) Formación de ojos de pez (Fish Eyes) Los ojos de pes son pseudodefectos que solo pueden ser observables con pruebas destructivas como el ensayo de tracción. Por lo tanto estos defectos no existen en la soldadura hasta antes de la falla, es un problema ya que no hay manera de controlarlo después de que se forma. Por eso es pertinente evitar la absorción de hidrogeno en la soldadura, eliminando las fuentes potenciales como el agua y los revestimientos de O2 y H+ que posee los electrodos. Soluciones: a) Eliminar las fuentes de hidrogeno. b) Si no hay deterioro en la solidificación Tratamiento isotérmico entre 180 a 220°C.

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METALES FERROSOS Los materiales ferrosos tienen mucha importancia en el DFMA de productos soldados en la industria actual ya que presentan ciertas características que los identifican, tales como: 

Pueden modificar sus propiedades antes, durante y después de los procesos de manufactura de productos metálicos de acuerdo a los requerimientos exigidos.



Sus excelentes propiedades mecánicas, versatilidad y aplicabilidad en diferentes contextos y atmosferas, hacen que sean de gran uso en la industria automotriz, aeroespacial, entre otros.



Pueden mejorar su acabado superficial mediante tratamientos de acabado, que de igual forman ayudan a protegerlos de la corrosión y de mejorar su presentación.



Los aceros tienen un gran peso lo cual es desventajoso ya que aumentan su costo.

Reacción eutéctica: el líquido de 4,3% de Carbono forma un agregado bifásico de austenita-γ (2,08%C) y cementita (Fe3C, con 6,67%C). Esta reacción tiene lugar a 1148ºC. L (4,3%C) → Austenita-γ (2,08%C) + Fe3C (6,67%C)

Clasificación de los metales ferrosos Se clasifican de acuerdo su contenido de carbono y su aplicación industrial. A continuación se muestra una figura donde se observa su clasificación, esto es:

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Ilustración 1 Clasificación y tipos de metales ferrosos5

ACEROS Son aleaciones de hierro – carbono, con aleantes que le permiten mejorar sus propiedades de acuerdo a los requerimientos exigidos. Los aceros aleados son aquellos que en su composición contienen elementos distintos del carbono y sobrepasan las cantidades de Mn, Si, S y P.

El contenido de carbono para aceros al carbono es máximo de 2% y para aceros alados los elementos aleantes en porcentaje suman más del 5%.

A continuación se muestra una tabla en donde se especifica la clasificación, porcentaje de carbono, usos típicos y soldabilidad de los aceros, esto es, 5

H.Maury, E.Niebles, J.Torres (2009) Diseño para la fabricación y ensamble de productos soldados. Ed. Uninorte.

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Tabla 3 Clasificación de los aceros

Aceros al carbono Son aleaciones que contienen los siguientes porcentajes en su composición química: •

P máx.= 0,04 %

•

S máx.= 0,05 %

•

Mn= 0,30 – 0,60 % (acero de bajo carbono) = 0,60 – 0,90 % (acero de alto carbono y aceros al C para cementación)

Y su denominación es 10XX

donde XX es el contenido de C

Se clasifican en aceros al bajo carbono, medio carbono y alto carbono. Aceros al bajo carbono (Desde SAE 1016 A 1030) Se utilizan para la fabricación de piezas estructurales de mediana resistencia. (Aceros de cementación).  Aptos para soldadura y brazing.  La maquinabilidad mejora con el forjado o normalizado, y disminuye con el recocido.

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Un ejemplo de este acero es el SAE 1020. Presenta buena soldabilidad y maquinabilidad; para fabricaciones de bajas exigencias. Apto para la forja y cementación. Y su composición química es: C

Mn

Si

P

S

0,20 0,45 0,25 0,04 0,05 Cr

Ni

Mo

V

Pb

Aceros al medio carbono (Desde SAE 1035 a 1053) Se utilizan para piezas sometidas a cargas dinámicas. Frecuentemente llevan tratamiento térmico de endurecimiento. Entre sus propiedades mecanicas de este acero se presentan lo más relevante, esto es, Rangos de silicio utilizado: 0.1 %; 0.1 – 0.20 %; 0.15 – 0.35 %; Resistencia a la fluencia: 295 MPa; Densidad: 7860 kg/m^3; Modulo de Young: 207 GPa; Conductividad térmica: 52 W/m°C Un ejemplo de este acero es el SAE 1045. Apto para fabricaciones de exigencias moderadas. Buenas características de forja, alta dureza por temple al agua y Soldable. Y su composición química es: C

Mn

Si

P

S

0,45 0,75 0,25 0,04 0,05 Cr

Ni

Mo

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V

Pb

Aceros al alto carbono (Desde SAE 1045 a 1095) Se utiliza en aplicaciones donde es necesario incrementar la resistencia al desgaste y altas durezas. Ej. Embragues, muelles, sierras. Por lo general, todas las piezas son tratadas térmicamente antes de usar. Su composición química es: C < 1%, Mn < 0,9%, Si < 0,5%, P < 0,1%, S < 0,1% Otros ejemplos de acero de alto carbono se muestran a continuación:

Ilustración 2Composicion química de algunos aceros al carbono

Aceros de baja aleación Sus aleaciones cuyo porcentaje no excede el 5 %, ya que el porcentaje de carbono se encuentra por debajo del 0.3 %. Son de bajo % de C; Aleados con V, Nb, Ti, en aprox. 0,03 % c/u; de manera que precipitan carbonitruros de Vam Nb, Ti que elevan el limete elástico entre 30 y 50 %. Presentan garantia de las propiedades mecanicas y angulo de plegado. Son de fácil soldabilidad y tenaces. No admiten tratamiento térmico. Se emplean en construcción de grandes estructuras (edificios, puentes y recipientes a presión). En soldadura, se recomienda que sus electrodos sean de bajo hidrogeno y precalentamiento hasta temperaturas de 300 °F – 150 °C; al aumentar el espesor del material aumenta la temperatura de precalentamiento. Los metales de aporte deben coincidir con la composición del metal base tanto como sea posible.

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Según normativa se encuentra como 9XX donde XX. 10^3 psi, es el límite elástico del acero. Ej. SAE 942 •

Ni (23XX

25XX )

– Aumenta la tenacidad de la aleación. Se adiciona Cr y Mo para mejorar la templabilidad. •

Cr – Ni (31XX 32XX 33XX 34 XX) – Gran

tenacidad

y

templabilidad;

Ni

excesivo

dificulta

la

maquinabilidad. •

Mo ( 40XX 44XX) – Aumenta levemente la templabilidad.

•

Cr – Mo (41XX) – 1 % Cr y 0,15 a 0,30 % Mo. Se utilizan para nitrurado, tornillos de alta resistencia, etc.

•

Cr – Ni – Mo (86XX) – 0,40 a 0,70 % Cr, 0,40 a 0,60 % Ni y 0,15 a 0,30 % Mo. Mas usados por su templabilidad.

•

Si – Mn (92XX) – Aprox. 1,40 % Si y 1,00 % Mn. Aceros para resortes; excelente resistencia a la fatiga y templabilidad.

Aceros de fácil maquinabilidad No aptos para soldar, tratamientos térmicos, ni forja debido a su bajo punto de fusión. Según normativa se clasifican en 11XX y los 12XX. Ej.

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SAE 11XX: 0,08 – 0,13 % S SAE 12XX: 0,24 – 0,33 % S Para facilitar el maquinado se adicionan distintos porcentajes de C, Mn, P y Pb. El Pb se divide en grupos (i ii y iii). Aceros aleados para aplicaciones en construcciones Se considera que un acero es aleado cuando el contenido de un elemento excede uno o mas de los siguientes limites: – 1,65 % de Mn – 0,60 % de Si – 0,60 % de Cu – O cuando hay un % especifico de Cr, Ni, Mo, Al, Co, Nb, Ti, W, V o Zr.

Ilustración 3 Composicion química de aceros de constucción

Tratado General de Soldadura. Paul Schimpke y Hans A. Horn; cuarta edición

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Aceros de mediana aleación 

Aceros de mediana Aleación al CrMo o Uso generalizado en piezas que requieren alta resistencia y tenacidad. o Mediana templabilidad o Soldable o Buena maquinabilidad

Ejemplo: SAE 4140

Aceros de mediana Aleación al Cr-Ni-Mo o Uso en piezas de grandes exigencias mecánicas, de alta resistencia y tenacidad. o Alta templabilidad o Regular maquinabilidad

Ejemplo: SAE 4140

Aceros inoxidables Son aleaciones a base de hierro que contiene al menos 11 % Cromo (Cr) y otros aleantes tales como Ni, Mo, Cu, Ti, Al, Ta, Cb, Nb, Si, N, S y Se. Tienen una gran resistencia mecánica a la corrosión, oxidación, sulfatación, abrasión, facilidad de fabricación y gran soldabilidad. Se dividen en austeníticos, martensíticos, ferríticos, dúplex y endurecidos por precipitación.

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Austeníticos (AISI 302XX 303XX) Aleaciones a base de hierro con contenido de cromo (Cr) entre 16 % y 26 %, níquel hasta alrededor de un 35 % y manganeso hasta el 15 %. Se conocen como de la serie 300 y 200; contienen elementos austenizantes como Ni, Mn, N que forman la estructura austenítica. Presentan

excelente

soldabilidad,

alta

resistencia a la corrosión, excelente factor de higiene

y

se

pueden

utilizar

a

altas

temperaturas como a temperaturas criogénicas. Se usan principalmente en equipos hospitalarios, domesticos, industria de alimentos, tanques, tuberías, entre otros. Ejemplo: AISI – 304 – 304 L

Martensiticos (AISI 514XX) Aleaciones a base de hierro con contenido de cromo (Cr) entre 11% y 18% y carbono que puede exceder el 1.2 %. Se conocen como de la serie 400; contienen elementos como Nb, Si, Ta y V, y pequeñas cantidades de Ni los cuales son agregados para mejorar la resistencia a la corrosión y como el selenio que es agredo para mejorar su maquinabilidad. Se debe tener cuidado en la soldadura de estos aceros puesto que tiende a formarse martensita en la zona afectada; el precalentamiento es necesario para reducir la razón de enfriamiento para la transformación de la austenita y para minimizar el agrietamiento. Son usados para componentes de motores, elementos de corte, ejes, cuchillería de afeitar e instumental quirúrgico.

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Ferríticos (AISI 514XX 515XX) Aleaciones a base de hierro con contenido de cromo (Cr) entre 11% y 30% sin cantidades significativas de C, Ni u otros elementos formadores de austenita. Contienen elementos como Mo, Si, Al, Ti y Nb que le brindan excelentes prestaciones. Son relativamente débiles a esfuerzos a altas temperaturas comparados con los grados austeníticos. La tenacidad puede ser limitada a bajas temperaturas. Son usados en partes de hornos, intercambiadores de calor, tanques de agua caliente y de condensado.

Dúplex Tienen una microestructura de 50 % ferrita y 50 % austenita pero, el porcentaje de ferrita puede variar entre 20 y 80 %; los elementos principales de la aleación son el cromo (Cr) entre 22 % y 28%, Ni entre el 2 % y 5%; puede tener Mo, Cu y Si, con los que consigue propiedades balanceadas, tales como resistencia a la corrosión por tensiones o por picado, buena estabilidad estructural frente a la fragilidad en caliente hasta 450 °C y buena soldabilidad, que no se obtienen solo con los austeníticos o los ferríticos. Son usados en intercambiadores de calor, tuberías con presencia de cloruros y sulfuro de hidrógeno, evaporadores, entre otros.

Endurecidos por precipitación Tienen contenido de carbono muy bajo y por esta razón el endurecimiento primario se debe al endurecimiento por precipitación; contiene elementos aleantes como Al, Ti, Nb y Cu, que ofrece buena ductilidad, tenacidad y alto esfuerzo de fluencia en tensión y resistencia a la corrosión de moderada a buena. Sus elementos aleantes permiten que tenga una buena soldabilidad a excepción de los grados austeníticos. Son usados en la industria aeroespacial. Existen tres grados de aceros inoxidables endurecibles por precipitación: Martensiticos, semiausteníticos y austeníticos.

~ 26 ~

Aceros para herramientas

Templables en agua (W) – No contienen elementos aleantes y son de alto % de C (0,75 a 1,00%). – Económicos y se usan en mechas (brocas). Trabajo en frio – Templables al aire (A): El alto contenido de cromo otorga temple homogéneo. –

Templables en aceite (O): Al aumentar la temperatura disminuye la dureza. Solo son aptos para trabajo en frio.

– Alto carbono, alto cromo (D): Contienen alto % de C para formar carburos de Cr (1,10 – 1,80 % C). Gran resistencia al desgaste. Trabajo en caliente (H) – Aceros rápidos: T (Tugnsteno) y M (Molibdeno). •

Mantienen su dureza al rojo. Tienen carburos estables a alta temperatura; el Cr aumenta la templabilidad ya que se encuentra disuelto; el tugnsteno y el molibdeno son los formadores de carburos. Ej. T18-4 – 1 que indica contenidos de W, Cr y Mo respectivamente.

Resistentes al impacto (S) – Fácilmente templables en aceite. No se pueden usar en grandes secciones o formas trincadas.

~ 27 ~

FUNDICIONES DE HIERRO Aleación de hierro, carbono y silicio con porcentaje de carbonos mayores del 2 y hasta el 4.5 % en peso. Los contenidos de algunos componentes en las fundiciones son: 0,5 < % Si < 4; 0,3 < % P < 0,15; % S < 2. La reacción eutéctica que se forma en las fases de solidificación determina el tipo de fundición y se clasifica en la forma en que tiene el carbono o grafito en la microestructura. Pueden fundirse más fácilmente que el acero, son frágiles y poseen menor resistencia que los aceros. Tienen costos de producción relativamente bajos y buena capacidad de moldeo.

Fundición blanca Posee buena dureza y resistencia abrasiva, elevadas resistencia

a

la

compresión,

poca

moldeabilidad

y

maquinabilidad y es muy difícil de soldar. •

Aleaciones de hierro carbono con 6,67 % C y Si (0,5 – 1,9 %)

•

Se obtienen de tres tipos: – Fundición eutéctica, 4,3 % C y estructura compuesta de ledeburita sin fases sobrantes. – Fundición hipo-eutéctica, 2 a 4,3 % C. – Fundición hiper-eutectica, 4,3 a 6,67 % C.

•

Se puede producir martensita durante el TT.

•

Resistencia a la tracción entre 130 y 500 MPa

•

Resistencia a la compresión entre 1,4 y 1,7 GPa

•

Dureza Brinell entre 375 y 600

~ 28 ~

Fundición gris El carbono se

forma

como

hojuelas

de

grafito

interconectadas en una celda eutéctica, puede ser Perlítica

y

ferrítica.

Poseen

buena

maquinabilidad,

estabilidad dimensional en condiciones de calentamiento y alta capacidad para amortiguar vibraciones. •

Aleación de hierro – 2 – 4,5 % C – 0,5 – 3,5 % Si – 0,5 – 1,5 % Mn – 0,1 – 1 % P – Hasta 0,15 % S

•

Resistencia a la tracción entre 150 y 430 MPa

•

Resistencia a la compresión entre 570 y 1,3 GPa.

•

Dureza Brinell entre 156 y 302.

Fundición nodular Se produce tratando el hierro con magnesio o cerio. Poseen excelente resistencia, tenacidad y ductilidad, no requiere tratamiento térmico. •

Ferritica – Resistencia a la tracción entre 380 y 630 MPa. – Dureza Brinell entre 130 y 210

•

Perlitica – Resistencia a la traccion entre 550 y 900 Mpa. – Dureza Brinell entre 200 y 275.

•

Martensitica

~ 29 ~

– Resistencia a la traccion entre 680 Mpa y 1,03 Gpa. – Dureza Brinell entre 215 y 320.

Su composición química es: C

Mn

Si

P

3,6 – 3,8

0,15 – 1

1,8 – 2,8

0,03 máx 0,002 máx

Ce

Ni

Mo

Cu

0,005 – 0,20 0,05 – 0,20 0,01 – 0,10 0,15 - 1

S

Mg 0,03 – 0,06

Cr 0,03 – 0,07

Fundición maleable El carbono combinado con el hierro blanco se convierte en nódulos irregulares de carbono revenido y ferrita. Poseen alta maquinabilidad y son más fáciles de soldar que la fundición gris. •

Dos tipos de fundición maleable: – Ferritica: tiene buena tenacidad. •

Resistencia a la tracción entre 340 y 400 MPa.

•

Dureza Brinell entre 110 y 145

– Perlítica: se crea al enfriar la austenita al aire o en aceite para así formar perlita o martensita. •

Resistencia a la tracción entre 450 y 830 MPa.

•

Dureza Brinell entre 163 y 269

•

El contenido alto de Si favorece el TT

De acuerdo a la fundición se establece el porcentaje de carbono y de Silicio que contiene la aleación. En la siguiente tabla se muestra dichos porcentajes:

~ 30 ~

Tabla 4 Porcentaje de carbono y silicio de algunas aleaciones

Fundición

%C

% Si

Europea (blanco)

3

0,75

Americana (negro)

2,5

1

Fundición de grafito compacto Su producción es similar a la del hierro dúctil (se introduce Mg o Ce como elemento esferoidizante y se puede incorporar algún elemento degenerador de grafito, como Ti o S.). Permite obtener resistencias y ductilidades superiores a las de las fundiciones grises e igual de moldeable que el hierro gris. Conserva una buena conductividad térmica y propiedades de absorción de vibración.

A continuación, se muestra una tabla donde se detalla la relación de las propiedades comunes en los aceros ferrosos con los aceros y fundiciones. Tabla 5 Propiedades de los aceros y fundiciones

~ 31 ~

Ventajas e inconvenientes de las fundiciones frente a los aceros •

Son más baratos que los aceros e incluso su fabricación es también mas sencilla (con instalaciones menos costosas y temperaturas de fusión mas bajas).

•

Las fundiciones grises pueden resultar mas fáciles de mecanizar que los aceros pero no las blancas.

•

Se pueden fabricar tanto piezas de grandes dimensiones como de pequeñas y complicadas.

•

Su fabricación exige menos preocupaciones que la del acero.

•

Se facilita la fabricación de piezas de poco espesor y funden a temperatura mas baja que los aceros.

~ 32 ~

METALES NO FERROSOS Los metales no ferrosos son más costosos que los metales ferrosos, ya que presentan propiedades mecánicas excepcionales que los hacen muy útiles en aplicaciones ingenieriles. Tienen buenas propiedades de conductividad térmica y eléctrica, alta resistencia a la tracción y a la corrosión, rigidez, ductilidad y resistencia al impacto, buena maquinabilidad y su peso es relativamente bajo.

Clasificación de los No Metales Los metales no ferrosos de acuerdo a su composición química se clasifican de la siguiente manera, esto es,

Ilustración 4Clasificacion de los metales no ferrosos

Aluminio y Aleaciones El aluminio es el metal de uso estructural y se recomienda para su uso los mercados de reciclaje de este metal. Posee excelente ductilidad y resistencia a la corrosión.

~ 33 ~

El aluminio y sus aleaciones en soldadura, deben considerarse dos aspectos importantes: 

La película de oxido que recubre el metal (se forma rápidamente).



Alta conductividad térmica del aluminio.

La película de oxido superficial interfiere con el remojo del metal de aporte fundido en las superficies que se van a unir y causa uniones soldadas pobres, aunque se hayan limpiado adecuadamente antes del proceso de soldadura. En algunos casos, se recomienda un alto control del calor aportado y absorbido, y se requiere la aplicación de técnicas de tratamientos térmicos posteriores para garantizar la integridad de la unión. Un mejor control del calor aportado se logra utilizando procesos adecuados de soldadura, tales como el GMAW y el GTAW, y técnicas de soldeo que una zona mínima afectada por el calor, como el uso de la corriente alterna con el proceso de GTAW, ya que proporciona algunas de las características especificas requeridas de ambos modos de polaridad. La serie de los aluminios se clasifican de acuero al elemento aleante que contien. A continuación se muestra una figura que muestra dicha clasificación, esto es,

Ilustración 5Serie de aluminios

El aluminio se utiliza normalmente aleado con otros metales con objeto de mejorar su dureza y resistencia. Pero también se comercializa en estado puro.

~ 34 ~

Tabla 6Aleaciones del Aluminio

Las aleaciones utilizadas para soldar contienen no más de 0.0008% de berilio. La aleación 7050 incluye 0.08-0.15% de zirconio entre sus otros elementos. Tabla 7 Composicion química de aleaciones de aluminio

http://www.luminum.com/es/data/dcomposition.html

~ 35 ~

Titanio y Aleaciones Posee una alta relacaion de resistencia a a peso y se puede utilizar a una temperatura mas alta que las que pueden alcanzar las aleaciones de aluminio. Además, tiene una alta resistencia a la corrosión. El titanio forma un oxido en una superficie nueva inmediatamente a la temperatura ambiente; por esta razón, es muy importante que el titanio y sus aleaciones sean protegidos adecuadamente del aire y cualquier otro material, el cual podría contaminarlos durante una operación de soldadura. El titanio se usa ampliamente en misiles y capsulas espaciales. A continuación se muestra las diferentes aleaciones del titanio y sus principales características: Tabla 8Aleaciones de Titanio

Las ventajas y desventajas del titanio y sus aleaciones son:

~ 36 ~

Tabla 9Ventajas y Desvetajas de las aleaciones de titanio

Cobre y Aleaciones Es el mejor conductor eléctrico y térmico de los metales comerciales; posee una buena resistencia a la corrosión, buena fabricabilidad y su resistencia moderada. El cobre y muchas de sus aleaciones posee un alto coeficiente de expansión térmica comparada con el acero, lo cual tiene un efecto significativo en la soldadura de estos materiales, ya que el calor de la soldadura se disipa con facilidad en la zona de soldadura lo cuq impolica que se requiere una gran rata de entrada de calor para alcanzar una fusión de la soldadura completa y esto puede conducir a altos niveles de distorsión. Para facilitar este proceso se puede requerir el precalentamiento para evitar llegar a una soldadura pobre.

Los elementos más perjudiciales son el bismuto y el antimonio que provocan fragilidad intergranular al ser elementos poco solubles y con tendencia a segregar.

~ 37 ~

Los principales aleantes del cobre y sus principales características se muestran a continuación:

Ilustración 6 Elementos aleantes del Cobre

La composición química y algunas aplicaciones de las aleaciones de cobre son las siguientes: Tabla 10Composición quimica de las aleacino de cobre

~ 38 ~

Soldabilidad del cobre En la soldabilidad del cobre influyen fundamentalmente su elevada conductividad térmica, alto coeficiente de dilatación y la transformación eutéctica (Cu/Cu2O). – Influencia de la conductividad térmica – Influencia del coeficiente de dilatación – Influencia de la transformación eutéctica Soldadura del cobre y sus aleaciones El cobre y sus aleaciones se pueden soldar tanto por: procesos de soldadura por fusión, procesos de soldadura en estado sólido, soldadura fuerte (“brazing”) y blanda (“soldering”). – Procesos de soldadura por fusión – Soldadura fuerte (“brazing”) – Soldadura blanda (“soldering”) •

Soldadura blanda de latones

•

Soldadura de cupro-silicios, cupro-berilios y cupro-aluminios

– Soldadura por resistencia

Magnesio y Aleaciones Tienen una gran potencial

en

aplicaciones

estructurales, ya que funden a una temperatura aproximada de 1200 °F – 650 °C. Tiene una gran resistencia especifica y un modulo de gran magnitud debido a su peso ligero más que el aluminio y el titanio. El magnesio es altamente reactivo y forma un oxido refractario que debe ser removido para permitir el mojado de la superficie de la junta por el metal de aporte fundido.

~ 39 ~

El magnesio es aleado con aluminio, zinc, torio, manganeso y metales de tierras raras; la mayoría de las aleaciones forjadas y fundidas poseen desde buena a excelente soldabilidad. .

A continuación se muestra una tabla donde se muestra la designación del magnesio y sus aleaciones: Tabla 11Designacion de los elementos en las aleaciones de Magnesio

Por ejemplo, Aleación ZH31 tiene como aleante principal cinc, el primer número indica que este elemento está en un 3 %, además la aleación contiene torio en un 1%. Existe una denominación de la USAE, una de ASTM (American Society of Testing Materials) y otra de MAZLO (American Magnesieum Corporation) bastante parecida a la del aluminio, entre otras.

Ilustración 7Denominacion del Magnesio

En forma de láminas y chapas puede ser soldado, remachado, doblado, repujado, etc., con lo que se obtienen revestimientos para tanques de aceite y combustible, alas, fuselaje, pisos, etc., entre otros muchos usos.

~ 40 ~

Níquel y Aleaciones Se utiliza principalmente como elemento de aleación en aceros inoxidables y de baja aleación. El níquel puro comercial es fácilmente Soldable mediante casi todos los procesos de soldadura existentes. Puede alearse con muchos otros elementos metálicos para obtener propiedades elevadas de resistencia mecánica, resistencia a la corrosión y a la rotura por esfuerzos a altas temperaturas.

Los elementos de aleación con niquel son los siguientes: Tabla 12 Elementos de Aleacion del Niquel

La siguiente figura muestra las aleaciones mas importantes del niquel y su composición química, esto es,

~ 41 ~

Ilustración 8Composición quimica de las aleaciones mas importantes del NÍquel

Las categorías principales en las que se clasifica el níquel y sus aleaciones, en función del mecanismo que le proporciona su resistencia, son: •

Níquel comercialmente puro: Estas aleaciones contienen como mínimo un 99% de Ni, conteniendo pequeñas cantidades de Co e impurezas (Mn, Fe, Si, Cu).

•

Aleaciones Ni-Cu: Contienen alrededor del 30% de Cu, que forma una solución sólida con el Ni.

•

Aleaciones Ni-Cr no tratables térmicamente: Contienen 15-22% de Cr y hasta un 46% de Fe. Estas aleaciones son comercialmente conocidas como Inconel, Incoloy y Hastelloy.

•

Aleaciones Ni-Cr tratables térmicamente: Estas aleaciones se pueden fortalecer mediante precipitación si se añade Al, Ti y Si como aleantes secundarios.

La soldabilidad se divide en dos grupos: •

Tratables termicamente

~ 42 ~

•

No tratables termicamente

Tabla 13Efecto de los aleantes en la soldabilidad del Ni y sus aleaciones

A continuación se muestran los metales ferrosos y no ferrosos y su desempeño en diferentes comportamientos a diferentes procesos de soldadura, esto es, Tabla 14Procesos de Soldadura en metales y su compatibilidad

Tratado General de Soldadura. Paul Schimpke y Hans A. Horn; cuarta edición

~ 43 ~

FORMA Y GEOMETRIA Actualmente en el mercado existen innumerables formas geométricas de materiales base con los que se puede construir. Básicamente existen 4 formas geométricas básicas de las cuales surgen el resto de formas, estas son:

Laminas, planchas y platinas Son elementos estructurales que geométricamente se pueden aproximar por una superficie bidimensional y que trabajan predominantemente a flexión.

Perfiles laminados El tipo de perfil de las vigas de acero, y las cualidades que estas tengan, son determinantes a la elección para su aplicación y uso en la ingeniería y arquitectura. Entre las secciones más conocidas y más comerciales, que se brinda según el reglamento que lo ampara, se encuentran los siguientes tipos de laminados, se enfatiza que el área transversal del laminado de acero influye mucho en la resistencia que está sujeta por efecto de fuerzas. Canales en U, ángulos de perfil L, vigas de perfil H, perfiles en T. Tuberías La tubería es un conducto que cumple la función de transportar agua u otros fluidos, está determinada por tres diámetros: interior, exterior y nominal; además el espesor es muy importante dado que determina a la resistencia a la presión y se determina como SCHEDULE.

Accesorios con múltiple forma

~ 44 ~

Son productos que sirven de empalme a los componentes ya previamente mencionados y se producen de proceso como fundiciones, forjado, extrusión etc.

Laminas

Platinas

Perfiles

Tuberías

Accesorios

~ 45 ~

CALCULOS DE ESFUERZOS Y TAMAÑO DE SOLDADURA 

La soldadura debe transferir las cargas a los elementos soldados

El diseñador debe buscar configuraciones de unión entre los componentes para que los esfuerzos a los que va a estar sometida la estructura fluyan a través del cordón de soldadura o en su defecto buscar que está solo reciba un tipo de esfuerzo y de preferencia a compresión estática. 

Definir los estado estados de carga y condiciones ambiéntales

Tener en cuenta si las cargas son dinámicas o estáticas, es decir si va estar trabajando con fuerzas fluctuantes en el tiempo o si sus principales fuerzas a soportar son cargas cuasi estáticas que son las que su variación en el tiempo es casi nulo. El otro aspecto son las condiciones ambientales es decir si el componente va estar trabajando en una atmosfera altamente corrosiva, o si va a estar sometido a cambios bruscos de temperatura; factores que pueden debilitar o fatigar la unión soldada. 

Calcular esfuerzos

Evaluar cargas a las cuales va estar sometido el componente a soldar y calcular sus respectivos esfuerzos por las diferentes teorías de falla como la del esfuerzo cortante máximo o la de energía de distorsión, ambas para materiales dúctiles. 

Generar una solución para especificar la construcción

Definir previamente los factores anteriormente discutidos y especificar todos los datos técnicos como materiales, preparación de juntas, electrodos, tratamientos térmicos, etc., para la construcción de la unión soldada.

~ 46 ~



Calcular el tamaño de la soldadura

Asumir que el cordón de soldadura va a soportar los esfuerzos del componente y mediante los códigos calcular el espesor y longitud del cordón de la soldadura.

Ilustración 9Factores en el calculo de esfuerzos y tamaño de soldadura

FACTORES DE CONSIDERACION EN LA ESTIMACION DE LOS ESFUERZOS 

Información inicial

Básicamente son las consideraciones y especificaciones dadas o requeridas para la aplicación, lugar, material, uso, geometría. 

Material base

~ 47 ~

Tener en cuenta el material a soldar dado que de esta especificación depende en gran medida un buen proceso de soldadura porque es el punto de partida para el proceso de soldadura que nos permite definir el proceso de soldadura y material de aporte. 

Diseño de la unión soldada

Dependiendo de la soldadura que se necesita hacer, se puede diseñar teniendo en cuenta que no pueden soportar esfuerzos o puede provenir de los códigos y normas. 

Geometría y dimensiones

Definir la longitud y forma de la unión soldada, junto con el diseño de la soldadura definen el patrón de los cordones de soldadura. 

Tipos de carga

Como se había mencionado previamente, cargas dinámicas o estáticas, definirlas bien dado que repercutirá en los cálculos de esfuerzos. 

Tipos de esfuerzos

Que tipos de esfuerzos generan estas cargas, si son a tensión, flexión, cortante, variantes o combinaciones. 

Teorías de falla

Calcular y darles valores a estos esfuerzos, teniendo en cuenta el materia base, si es dúctil o frágil y su respectiva teoría de falla.

~ 48 ~



Material de aporte

Seleccionar un material de aporte que por lo menos tenga las mismas propiedades mecánicas del material base para garantizar un buen comportamiento de la unión soldada. 

Método para la evaluación de la seguridad del diseño

Puede ser determinista o probabilístico y busca determinar la confiabilidad que se tiene en la unión soldada. 

Deformaciones permisibles

Deformaciones elásticas que pueden darse en el componente y que no afectan al componente, pueden deformaciones necesarias o permisibles, dependiendo de la aplicación.

FACTORES DE SEGURIDAD

Es un índice o que busca incrementar las cargas, costos y demás factores relevantes dentro del diseño, pero básicamente lo que busca es cubrir el grado de incertidumbre que tiene el diseñador en relación con las propiedades del material y los modelos o teorías con los que se calcularon los esfuerzos. Para definir un buen factor de seguridad hay tener en cuenta la configuración geométrica, el proceso de fabricación que tuvo el material, los procesos posteriores por los que ha pasado, las cargas, el ambiente, los costos, la seguridad no solo del componente sino de las personas entre otros.

~ 49 ~

𝑭𝑺 = 

𝑹𝒆𝒔𝒊𝒔𝒕𝒆𝒏𝒄𝒊𝒂 𝒅𝒆𝒍 𝒎𝒂𝒕𝒆𝒓𝒊𝒂𝒍 𝑬𝒔𝒇𝒖𝒆𝒓𝒛𝒐 𝒅𝒆 𝒄𝒂𝒓𝒈𝒂

Resistencia ultima al límite elástico

Es el esfuerzo máximo alcanzado en el diagrama esfuerzo deformación, por lo general algunos materiales exhiben una tendencia descendente después de este punto hasta el punto de fractura. 

Esfuerzo admisible

Es el esfuerzo que puede soportar el material sin que exista una deformación plástica permanente. 

Tabla 16, pág. 82. Diseño para la fabricación y ensamble de productos soldados.

Muestra los diferentes factores de seguridad para materiales dúctiles y frágiles bajo diferentes tipos de carga. 

Códigos y normas

Guías que aconsejan que criterios o factores hay que tener en cuenta y como calcular los factores de seguridad para un amplio rango de aplicaciones. 

Tabla 17, pág. 83. Diseño para la fabricación y ensamble de productos soldados.

Muestra algunos esfuerzos admisibles y factores de seguridad según la AISC para metales soldados sujetos a carga estática.

~ 50 ~

TAMAÑO DE LAS SOLDADURAS

El tamaño de la soldadura depende básicamente de tres factores que son: la carga y sus características, esto es, si la carga se encuentra en tensión o compresión y sus esfuerzos generados; la manera como esta se aplica, es decir repentina, uniforme o variable y por último el costo y preparación de la junta a soldar. 

Recomendaciones para las juntas a tope

Es necesario seleccionar una junta que satisfaga con los requerimientos de carga y que sea la más barata para la aplicación, las juntas más utilizadas son: juntas a tope, chaflán o en V, en X, en U, en T, etc. 

Angulo de refuerzo

Es el ángulo que forma el cordón de soldadura con el metal base, tiene una gran influencia por que este puede generar un concentrador de esfuerzo que puede debilitar la unión y disminuir la resistencia a la fatiga. 

Convexidad y concavidad en la soldadura de filete.

Es importante debido al concentrador de esfuerzo generado por el cambio de sección y por la longitud transversal que define la garganta o espesor de la soldadura. 

Tamaño del filete terminología americana

Es la longitud o hipotenusa del mayor triangulo recto que forma la soldadura en filete.

~ 51 ~



Tamaño del filete terminología europea

Es la designación para el tamaño del filete que le dan los europeos y es el término más usado en la industria, existen tres tipos de garganta según los estándares europeos:

-

Garganta teórica Distancia desde el comienzo de la raíz hasta la junta medida perpendicularmente a la hipotenusa.

-

Garganta efectiva Distancia mínima menos cualquiera convexidad, desde la raíz de la soldadura a la cara de la soldadura.

-

Garganta real Distancia más corta entre la raíz de la soldadura y la cara del filete, para un filete cóncavo la garganta real y la efectiva son iguales.



Códigos, libros, calculadas

En los códigos y normas se dan tamaños de gargantas para las aplicación que se pueden presentar, estas por lo general están basadas en el espesor de los componentes a unir.

CALCULOS DE ESFUERZOS Se deben conocer los siguientes conceptos asociados a los esfuerzos: 

Resistencia

Es una propiedad intrínseca de los materiales que determina la capacidad de absorber energía en forma de fuerza sin fallar.

~ 52 ~



Esfuerzo

Es una reacción que se da dentro del material y es generado debido a la aplicación de cargas, pueden ser fuerza o efectos térmicos.

𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑧𝑜 𝜎 =

𝐹𝑢𝑒𝑟𝑧𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 (𝐹) 𝐴𝑟𝑒𝑎 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑣𝑒𝑟𝑠𝑎𝑙 𝑎 𝑙𝑎 𝑐𝑎𝑟𝑔𝑎 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎𝑑𝑎 (𝐴)

Ilustración 10Variables en el diagrama de Esfuerzo - Deformación

TIPOS DE ESFUERZOS Según la resistencia del material tenemos: 

Esfuerzos admisibles

Es básicamente el límite de elasticidad del material, es decir el máximo esfuerzo que puede soportar el componente sin presentar deformación plástica.

~ 53 ~



Esfuerzos de rotura

Es el valor al cual el componente falla por lo general es un valor que esta después del esfuerzo ultimo de fluencia o se presenta en este mismo punto.

Según la forma de aplicación de la carga sobre el componente tenemos que: 

Esfuerzos normales

Si la carga es aplicada de forma perpendicular a la sección transversal del componente. 

Esfuerzos de flexión

Generados por cargas que producen un momento sobre el componente, causando un estiramiento y contracción de las fibras del componente. 

Esfuerzos de flexión normal

Básicamente es la combinación de los dos esfuerzos anteriormente mencionados. 

Esfuerzos de corte

Es generado por la aplicación de una fuerza en sentido paralelo al área transversal sobre el cual se está aplicando la carga. 

Esfuerzos de torsión

Es un esfuerzo cortante pero generado por cargas que intentan girar el componente.

~ 54 ~



Esfuerzos cíclicos

Son esfuerzo que varían en el tiempo, pueden ser cualquiera de los esfuerzos anteriormente mencionados o combinaciones de todos ellos. Aquí hay que tener en cuenta factores como los procesos por los que fue fabricado el material base, el ambiente, las condiciones de trabajo y acabado superficial entre otros. Estos factores ayudaran a la estimación de la vida del componente dado estará sujeto a fatiga. 

Esfuerzos residuales

Se presentan debido a procesos de fabricación, ensamble, tratamientos térmicos posteriores a los montajes, malos procesos y diseños de soldadura, contracción y dilataciones térmicas. En el sentido longitudinal la acumulación

de

esfuerzos

residuales

es

mayor

que

en

sentido

perpendicular.

FORMULAS TIPICAS PARA EL CÁLCULO DE ESFUERZOS

Esfuerzo normal 𝜎𝑁 =

𝐹 𝐴𝑡

Esfuerzo de flexión 𝜎𝐹 =

𝑀𝐹 ∗ 𝑐 𝐼

Esfuerzo de flexión normal

~ 55 ~

𝜎𝐹 =

𝑀𝐹 ∗ 𝑐 𝐹𝑁 + 𝐼 𝐴𝑡

Esfuerzos de corte

𝜏𝑠 =

𝐹𝑐 𝐴𝑐

A=0,707 S*L

Esfuerzo de torsión 𝜏𝑡 =

𝜏𝑡 =

𝑀𝑇 ∗ 𝑟 𝑀𝑇 ∗ 𝑟 = 𝐽 𝑡 ∗ 𝐽𝑢

𝑀𝑇 ∗ 𝑟 𝑀𝑇 ∗ 𝐷/2 𝑀𝑇 ∗ 𝐷/2 = = 𝐽 0,707 ∗ 𝑆 ∗ 𝐽𝑢 0,707 ∗ 𝑆 ∗ 2𝜋 ∗ 𝐷3 8

𝜏𝑡 =

𝑀𝑇 ∗ 2,83 𝑆 ∗ 𝜋 ∗ 𝐷2

Esfuerzos cíclicos

𝜎𝑦

𝐹𝑆 = 𝜎𝑚 +

𝜎𝑦

𝜎𝑒 ∗ 𝐾 ∗ 𝜎𝑟

~ 56 ~

𝝈𝒆𝒒 = 𝝈𝟐𝟏 + 𝝈𝟐𝟐 − 𝝈𝟏 𝝈𝟐

𝝈𝒆𝒒 = 𝝈𝟐𝒙 + 𝟑𝝉𝟐𝒙𝒚

𝟏

𝑭𝑺 =

𝟎,𝟓

=

𝑺𝒚𝒕

𝟎,𝟓

=

𝑺𝒚𝒕

𝑭𝑺

𝑭𝑺 𝒔𝒊 𝝈𝒙 = 𝟎, 𝑺𝒚𝒔 = 𝟎, 𝟓𝟕𝑺𝒚𝒕𝒔

𝑲𝒇 ∗ 𝝈𝒂 𝑺𝑵

+

𝑲𝒇𝒎 ∗ 𝝈𝒎 𝑺𝑼𝒕

′ 𝑺𝑵 = 𝑲𝑳 ∗ 𝑲𝑻𝒂𝒎 ∗ 𝑲𝑺𝒖𝒑 ∗ 𝑲𝑪𝒐𝒏𝒇 ∗ 𝑲𝑻𝒆𝒎𝒑 ∗ 𝑲𝑴𝒊𝒔𝒄 ∗ 𝑲−𝟏 𝑭 ∗ 𝑺𝑵



Tipo de carga Kl



Acabado superficial Ksup



Tamaño del componente Ktam



Concentración de esfuerzos Kf



Temperatura de trabajo Ktemp



Efectos misceláneos Kmisc



Confiabilidad Kconf

Además en el libro guía la figura 43 en pagina 94 nos muestra un cuadro con las posibles aplicaciones de fuerzas, el esfuerzo generado por estas y su forma de calcularlos.

~ 57 ~



VER PAG. 94, FIGURA 43, LIBRO DE DFMA.

CONCENTRACION DE ESFUERZOS

Se presenta cuando la distribución de esfuerzos normales y la deformación unitaria en la sección se vuelven no lineales y pueden obtenerse solo por medio de experimentos o en algunos casos por medio de análisis matemáticos. Se deben básicamente a dos factores: •

Cambio geométrico Cuando la sección transversal cambia de forma, puede ser por la configuración o por el diseño geométrico como tal del componente.

•

Discontinuidades y defectos Cuando se aplican malos procesos de soldadura, dentro de los cordones pueden quedar burbujas, contaminantes o espacios vacios que crean cambios bruscos en la continuidad del cordón de soldadura. K=

Valor mas alto de esfuerzo en una discontinuidad Minimo esfuerzo nominal en la seccion transversal

Tabla 15Tipo de Junta y concentrador de esfuerzos

TIPO DE JUNA

DESCRIPCION

K

1,2 A

TOPE

CON

REFUERZO

~ 58 ~

TIPO DE JUNA

DE

DESCRIPCION

FILETE

K

1,5

TRANSVERSAL EN LA PUNTA

2,0 EN T CON ESQUINAS AGUDAS

DE

FILETES

PARALELOS,

EN

2,7

EL

EXTREMO

~ 59 ~

CONCLUSIONES 

La soldadura es una opción de interés a la hora de elegir un método de unión.



Tiene como fortalezas la capacidad de carga estática y la elevada estanqueidad.



Como limitaciones: su costo, sus cuidados y ensayos necesarios para manejar carga dinámica, para la ejecución y su baja desmontabilidad.



El acero de bajo carbono (hierro de herrero) es factible soldarlo correctamente con arco eléctrico sin correr riesgos y obteniendo en la soldadura una resistencia mecánica adecuada a la barra.



Los aceros destinados a reforzar estructuras de hormigón, no explícitamente especificados como “SOLDABLES”, se alteran con la temperatura alcanzada en el proceso de soldadura, ablandándose en el caso de los endurecidos en frío y volviéndose frágiles en el caso de los aceros de alto carbono, lo que no justifica su utilización debido a su mayor costo y riesgo de falla.



Los metales que tiene porcentaje de carbono y azufre elevado, su soldabilidad disminuye y su maquinabilidad aumenta.

~ 60 ~

BIBLIOGRAFÍA 

H.Maury, E.Niebles, J.Torres (2009) Diseño para la fabricación y ensamble de productos soldados. Ed. Uninorte.



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