Unidad 6 Juntas Soldadas

UNIONES SOLDADAS DISEÑO DE ELEMENTOS DE MÁQUINAS I APUNTES DE CLASE

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS PLAN DE ESTUDIOS DE INGENIERÍA MECÁNICA

UNIDAD 6. UNIONES SOLDADAS. 6.1 CONCEPTOS GENERALES. La soldadura es un proceso en el que dos piezas metálicas son unidas mediante la aplicación de calor. Una recomendación básica al momento de realizar el proceso de soldadura es que las piezas deben estar limpias de cualquier impureza. En el proceso de soldadura general intervienen los siguientes elementos tal como se muestra en la figura 1: metal base (elementos a soldar), cordón de soldadura, el metal de aporte (electrodo, cuyas propiedades mecánicas deben ser igual o mayores a las del material base) y la fuente de energía.

Figura 1. Piezas a soldar. Tomado de http://es.wikipedia.org/wiki/Soldadura

6.1.2 simbología de la soldadura. Es una representación gráfica de la soldadura, nomenclatura regida bajo La Sociedad Americana de la Soldadura (AWS); se ha desarrollado un estándar de caracteres que describe los símbolos usados para la soldadura. La especificación de una soldadura se realiza mediante una línea indicadora que señala la soldadura; excepto la línea de referencia y la flecha, no es necesario utilizar todos los elementos a menos que sea requerido para clarificar; esta línea contiene los siguientes aspectos:        

Línea de base (o de referencia) Punta de flecha Símbolos básicos Dimensiones Símbolos complementarios Otras especificaciones Símbolos de acabado Cola (adicional)



Especificaciones, procesos u otras referencias.

6.1.2.1 símbolos básicos. Algunos símbolos básicos en soldadura se dan en la figura 6.1.

Figura 6.1 Símbolo básicos de soldadura. Budynas, R., Keith Nisbett, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, octava edición. México: McGraw–Hill.

En la figura 6.1 se observa procesos de soldadura.

la simbología más comúnmente utilizada en los

Figura 6.2 Representación simbólica utilizada en soldadura. Budynas, R., Keith Nisbett, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, octava edición. México: McGraw–Hill.

En la figura 6.2 se representan algunos símbolos básicos comúnmente utilizados en soldadura. Las soldaduras más utilizadas en la industria son la soldadura a tope (o de ranura), la soldadura de filete (o a traslape) y la soldadura de tapón. En las figuras 6.3, 6.4 y 6.5 se representan los tipos de soldadura mencionados.

Figura 6.3 Soldadura a tope. Budynas, R., Keith Nisbett, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, octava edición. México: McGraw–Hill.

Figura 6.4. Soldadura a tope. Faires, V. M. (1970). Diseño de elementos de máquinas, primera edición. España: Montaner y simón.

Figura 6.5. Soldadura de tapón. Jensen, C. (1999). Dibujo y diseño de ingeniería, primera edición. México: McGraw-Hill.

6.2 ESFUERZOS EN JUNTAS A TOPE Y TRASLAPE. 6.2.1 Juntas a tope. Es un tipo de soldadura muy utilizado en el soldado de recipientes a presión. En la tabla 6.1 se representan la simbología de algunos casos de soldadura a tope o de ranura.

En la figura 6.6 pueden verse juntas a tope con ranura en v; a) sometida a cargas de tensión y b) sometida a carga cortante. La magnitud del esfuerzo de la junta soldada cargada a tensión ya sea la carga a tensión o compresión es igual a: 𝐹 𝜎= 𝐴 El valor del esfuerzo en la junta soldada bajo carga cortante es igual a: 𝜏=

𝐹 𝐴

Tabla 6.1 Representación simbología de situaciones de soldadura de ranura. Jensen, C. (1999). Dibujo y diseño de ingeniería, primera edición. México: McGraw-Hill.

En ambos casos, el área de la sección que soporta el esfuerzo e igual a 𝐴 = ℎ ∗ 𝑙. En este tipo de soldadura puede presentarse un refuerzo en la parte superior de la junta soldada tal como se observa en la figura 6.6; el refuerzo sirve para compensar los probable defectos internos del cordón de soldadura y por esto ayuda a soportar de mejor manera los esfuerzos originados en el cordón de

soldadura. En el cálculo de la magnitud de los esfuerzos, el área del refuerzo no se tiene en cuenta. En piezas que estén a fatiga el refuerzo no se recomienda, ya que se presenta concentración de esfuerzos a lo largo de la unión de la pieza y el cordón (𝑙, figura 6.6); en estas situaciones, es mejor eliminar el refuerzo mediante un procedimiento de esmerilado (Budynas & Nisbett, 2008).

Figura 6.6 Juntas a tope. Budynas, R., Keith Nisbett, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, octava edición. México: McGraw–Hill.

6.2.2 Esfuerzos en juntas a traslape. La soldadura de filete (o a traslape) es la más utilizada en los procesos de soldado en la industria. En la figura 6.7 se observa a tres piezas unidas mediante cordones de soldadura de filete.

Figura 6.7 Soldadura a filete. Budynas, R., Keith Nisbett, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, octava edición. México: McGraw–Hill.

La soldadura de filete se representa por medio de catetos iguales, figura 6.8, “La sección más delgada es entonces en la garganta de la soldadura, a 45° de los catetos” (Hamrock, Jacobson & Schmid, 1999; p. 701). Los esfuerzos en el cordón de soldadura en una dirección determinada de acuerdo al diagrama de cuerpo libre de la figura 6.9 se determinan de la siguiente forma:

Figura. 6.8 representación de una soldadura de filete. Hamrock, B., Jacobson, Bo. & Schmid, E. (1999). Elementos de máquinas, primera edición. México: McGraw-Hill. 𝐹

Al aplicar el esfuerzo de Von Mises, la magnitud del esfuerzo es 𝜎 ´ = 2.16 ℎ ∗ 𝑙, y ocurre en una dirección a 𝜃 = 62.5° .

𝐹

La magnitud del esfuerzo de corte máximo es 𝜏 = 1,207 ℎ∗𝑙 ; su dirección se da a 𝜃 = 67,5° (Budynas & Nisbett, 2008).

Figura 6.9 Diagrama de cuerpo libre en una soldadura a traslape. Budynas, R., Keith Nisbett, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, octava edición. México: McGraw–Hill.

De acuerdo al diagrama libre de la figura 6.9 las componentes de las fuerzas normales, Fn y cortante, Fs dan lugar a los esfuerzos normal y cortante cuyas magnitudes son: 𝐹

Esfuerzo normal: 𝜎 = 𝜎𝑥 ∗ cos 45 = ℎ ∗ 𝑙; 𝐹

Esfuerzo cortante: 𝜏 = 𝜎𝑥 ∗ cos 45 = ℎ ∗ 𝑙 Trazando un círculo de Mohr con estos esfuerzos (Figura 6.10) se obtiene la magnitud del esfuerzo principal y el esfuerzo de corte máximo.

Figura 6.10 Círculo de Mohr de los esfuerzos originados en el cordón de soldadura. Shigley J. & Mitchell L. (1983). Diseño en ingeniería mecánica, tercera edición. México: McGraw–Hill.

La magnitud del esfuerzo principal es: 2 𝐹 𝐹 𝐹 2 𝐹 √ 𝜎= + [ ] + [ ] = 1,618 2∗ℎ∗𝑙 2∗ℎ∗𝑙 ℎ∗𝑙 ℎ∗𝑙

La magnitud del esfuerzo de corte máximo es:

𝜏𝑚𝑎𝑥

= √[

2 𝐹 𝐹 2 𝐹 ] + [ ] = 1,118 2∗ℎ∗𝑙 ℎ∗𝑙 ℎ∗𝑙

Sin embargo, en soldadura se prefiere tomar el esfuerzo de corte en el área de la garganta del cordón de soldadura y no tener en cuenta el esfuerzo normal. La magnitud del esfuerzo cortante a utilizar es: 𝜏 = 1,414

𝐹 ℎ∗𝑙

Obsérvese que en el cálculo del esfuerzo de corte, el valor 1,414 es 1,17 veces mayor que el valor de 1,207; del mismo modo, 1,414 es 1,26 veces mayor es 1,26 veces1,118. 6.3 ESFUERZOS CORTANTES EN JUNTAS SOLDADAS A TORSIÓN. La figura 6.11, muestra una configuración típica donde una placa o platina está soldada a un soporte; la carga externa aplicada hace que los cordones de soldadura estén sometidos a torsión, ya que haría que los cordones tiendan a girar sobre el centroide de la junta. En el cordón se originan dos esfuerzos de corte: primario y secundario, causados por las reacciones en el soporte y que se transmiten al cordón de soldadura.

Figura 6.11 Junta soldada a torsión. Budynas, R., Keith Nisbett, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, octava edición. México: McGraw–Hill.

6.3.1 Cortante primario. En el soporte se produce una fuerza cortante interna resistente, reacción que equilibra las cargas externas; esta fuerza de reacción es asumida por los cordones de soldadura. El cortante primario se designa por 𝜏 ´ y su magnitud es la relación entre la fuerza de corte primaria y el área de los cordones de soldadura. La expresión algebraica para hallar el esfuerzo de corte primario es: 𝜏´ =

𝑉 𝐴

Dónde: V = Fuerza de corte interna resistente. A = Área de los cordones de soldadura. En la figura 6.12, se presenta el área y otras características geométricas como el centroide, el momento polar de inercia unitario y el momento de inercia unitario de diferentes situaciones que se puedan dar al unir piezas metálicas mediante cordones de soldadura. 6.3.2 Cortante secundario. Este esfuerzo es producido por el momento flector interno resistente o reacción en el soporte debido a la flexión producida por la carga externa. El cortante secundario se designa por 𝜏 ´´ . La magnitud del esfuerzo es la relación del producto del momento flector resistente y la distancia del centroide al punto donde es requerido la magnitud del esfuerzo y el momento polar unitario. El valor del momento polar unitario puede consultarse en la figura 6.12. La magnitud del momento resistente es el producto de la carga y la distancia entre esta y el centroide de los cordones de soldadura.

Figura. 6.12 Características geométricas de los cordones de soldadura de filete o traslape. Hamrock, B., Jacobson, Bo. & Schmid, E. (1999). Elementos de máquinas, primera edición. México: McGraw-Hill.

Figura. 6.12 Características geométricas de cordones de soldadura de filete o traslape (continuación). Hamrock, B., Jacobson, Bo. & Schmid, E. (1999). Elementos de máquinas, primera edición. México: McGraw-Hill.

La expresión algebraica para hallar el esfuerzo de corte secundario es: 𝜎 = 𝜏 ´´ = Dónde: M = Momento flector resistente.

𝑀∗𝑟 𝐽

r = Distancia del centroide hasta el punto de cálculo. J = Momento polar de inercia unitario. El momento polar de inercia unitario se calcular por medio de 𝐽 = 0,707 ∗ ℎ ∗ 𝐽𝑢 , siendo h, el espesor de la garganta. Si la dirección de los esfuerzos tiene diferentes direcciones el esfuerzo cortante en los cordones de la junta soldada se calcula mediante la siguiente forma: 𝜏𝑐𝑜𝑟𝑑ó𝑛=(𝜏´2 +𝜏´´2 )1⁄2 6.4 ESFUERZOS CORTANTES EN JUNTAS SOLDADAS A FLEXIÓN. La figura 6.13 muestra una placa sujeta a un soporte de tal modo que los cordones de soldadura estén sujetos a la acción de la flexión. La línea de referencia de soldadura hace mención a que tanto el lado que toca la punta de flecha (lado cercano) y el lado inferior (lado lejano) la placa está unida al soporte por medio de cordones de soldadura. Esta es una configuración típica de soldadura sometida a flexión. En los cordones se presentan dos tipos de esfuerzo de corte: primario y secundario.

Figura 6.13. Junta soldada a flexión. Budynas, R., Keith Nisbett, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, octava edición. México: McGraw–Hill.

6.4.1 Cortante primario. En el apoyo se presenta una fuerza interna resistente, equilibrada en los cordones de soldadura, generando a su vez, un esfuerzo de corte primario reacción, τ´ y su magnitud es la relación entre la fuerza de corte primaria y el área de los cordones de soldadura. La expresión algebraica para hallar el esfuerzo de corte primario es: 𝜏´ =

𝑉 𝐴

Dónde: V = Fuerza de corte interna resistente. A = Área de los cordones de soldadura. 6.4.2 Cortante secundario o de flexión. El momento producido por la carga externa es contrarrestado en el apoyo o soporte por un momento flector interno resistente;

éste a su vez induce un esfuerzo de corte secundario. El cortante secundario se determina por la relación del producto del momento resistente interno y la distancia del centroide al lado más lejano de la soldadura y el momento de inercia de la configuración de los cordones de soldadura. La magnitud del cortante secundario se expresa por: 𝜎 = 𝜏 ´´ = Dónde:

𝑀𝑐 𝐼

M = Momento flector resistente. c = Distancia desde el centroide hasta el lado cordón más lejano. I= Momento de inercia. El momento de inercia se calcula por medio de 𝐼 = 0,707 ∗ ℎ ∗ 𝐼𝑢 ; siendo h, el espesor de la garganta. El área, el centroide y el momento de inercia unitario pueden consultarse en la figura 6.12. Si la dirección de los esfuerzos tiene la misma dirección, el esfuerzo de corte resultante se determina como la suma algebraica de los esfuerzos de corte primario y secundario: 𝜏 = τ´ + 𝜏 ´´ Ahora, si los esfuerzos tienen distinta dirección, el esfuerzo cortante en los cordones de la junta soldada se calcula mediante la suma vectorial de los esfuerzos primario y secundario: 𝜏𝑐𝑜𝑟𝑑ó𝑛=(𝜏´2 +𝜏´´2 )1⁄2 6.5 FACTOR DE SEGURIDAD. Si las cargas aplicadas al sistema son estáticas, el factor de seguridad se determina por: 𝑅𝑒𝑠𝑖𝑠𝑡𝑒𝑛𝑐𝑖𝑎 𝑛= 𝐸𝑠𝑓𝑢𝑒𝑟𝑧𝑜 La resistencia del cordón de soldadura se determina como el producto de 0,557 veces la resistencia de la resistencia de fluencia del material del cordón, algebraicamente es: 𝑆𝑠𝑦= 0,557𝑠𝑦 𝑛=𝜏 𝑡𝑟𝑎𝑏𝑎𝑗𝑜 𝑒𝑛 𝑒𝑙 𝑐𝑜𝑟𝑑ó𝑛

La resistencia de fluencia del material de aporte puede observarse en la tabla 6.2. Si las carga aplicadas al sistema son dinámicas, en el cálculo del factor de seguridad se halla aplicando cualquiera de los criterios de fatiga: (Goodman modificado, Gerber, Soderber y Asme-elíptica.

Tabla 6.2 Propiedades mecánicas del material de aporte. Budynas, R., Keith Nisbett, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, octava edición. México: McGraw–Hill.

Aplicando los criterios de falla mencionados, se tiene que los factores de seguridad se pueden determinar a partir de las siguientes ecuaciones: Goodman modificado: Gerber:

𝑛𝜏𝑎 𝑆𝑠𝑒

Soderberg:

1 𝑛

=

𝜏𝑎 𝑆𝑠𝑒

+

𝜏𝑚 𝑆𝑠𝑢

𝑛𝜏𝑚 2

+ ( 𝑆𝑠𝑢 ) = 1 𝑛𝜏𝑎 𝑆𝑠𝑒

+

𝑛𝜏𝑚 𝑆𝑠𝑦

𝑛𝜏𝑎 2

=1 𝑛𝜏𝑚 2

Asme-elíptica: ( 𝑆𝑠𝑒 ) + ( 𝑆𝑠𝑢 ) = 1 La resistencia límite a la fatiga se calcula por medio de la expresión: Sse = Ka * Kb * Kc * Kd * Kr * Kf * Sse’ Dónde el valor de Sse se halla por medio de las ecuaciones: Se’ = 0,5Sut; Se’ = 100ksi; Se’ = 700MPa;

si Sut ≤ 200 ksi (1400MPa) si Sut > 200ksi si Sut > 1400 MPa

Generalmente, el factor de superficie Ka, se asume con un acabado de “tal como de la forja”. En el cálculo del factor de tamaño Kb, se determina un diámetro

equivalente a partir de la expresión, dequiv = 0,808 * √Á𝑟𝑒𝑎, siempre que se presente torsión y flexión; si la carga ex axial el factor de tamaño Kb es igual a 1. El factor de carga Kc, se toma como 0,59 ya que la soldadura está a cortante. El factor de efectos diversos Ke, dónde Ke = 1/ Kf, El factor de concentración de esfuerzo al cortante Kfs, se halla a partir de la tabla 6.3.

Tabla 6.3 Factores de concentración de esfuerzo al cortante. Budynas, R., Keith Nisbett, J. (2008). Diseño en ingeniería mecánica de Shigley, octava edición. México: McGraw–Hill.